Мгновенное испарение (или частичное испарение ) — это частичное испарение, которое происходит, когда насыщенный поток жидкости подвергается снижению давления, проходя через дроссельный клапан или другое дросселирующее устройство. Этот процесс является одной из самых простых операций . Если дроссельный клапан или устройство расположены на входе в сосуд под давлением, так что мгновенное испарение происходит внутри сосуда, то сосуд часто называют испарительным барабаном . [1] [2]
Если насыщенная жидкость является однокомпонентной (например, пропан или жидкий аммиак ), часть жидкости немедленно «вспыхивает» в пар. И пар, и остаточная жидкость охлаждаются до температуры насыщения жидкости при пониженном давлении. Это часто называют «автоохлаждением», и это основа большинства обычных парокомпрессионных холодильных систем.
Если насыщенная жидкость представляет собой многокомпонентную жидкость (например, смесь пропана , изобутана и нормального бутана ), то выделяющийся пар богаче более летучими компонентами, чем оставшаяся жидкость.
Неконтролируемое мгновенное испарение может привести к взрыву расширяющегося пара кипящей жидкости ( BLEVE ).
Мгновенное испарение однокомпонентной жидкости является изоэнтальпическим процессом и часто называется адиабатической вспышкой . Следующее уравнение, полученное из простого теплового баланса вокруг дроссельного клапана или устройства, используется для прогнозирования того, сколько однокомпонентной жидкости испарится.
Если данные по энтальпии, необходимые для приведенного выше уравнения, отсутствуют, можно использовать следующее уравнение.
Здесь слова «выше по течению» и «ниже по течению» относятся к точкам до и после прохождения жидкости через дроссельный клапан или устройство.
Этот тип мгновенного испарения используется для опреснения солоноватой воды или морской воды с помощью « многоступенчатой мгновенной дистилляции». Вода нагревается, а затем направляется в «стадию» мгновенного испарения при пониженном давлении, где часть воды мгновенно превращается в пар. Этот пар впоследствии конденсируется в бессолевую воду. Остаточная соленая жидкость с этой первой стадии вводится во вторую стадию мгновенного испарения при давлении ниже давления первой стадии. Больше воды мгновенно превращается в пар, который также впоследствии конденсируется в более бессолевую воду. Это последовательное использование нескольких стадий мгновенного испарения продолжается до тех пор, пока не будут достигнуты проектные цели системы. Большая часть установленных в мире мощностей по опреснению использует многоступенчатую мгновенную дистилляцию. Обычно такие установки имеют 24 или более последовательных стадий мгновенного испарения.
Равновесная вспышка многокомпонентной жидкости может быть визуализирована как простой процесс дистилляции с использованием одной равновесной стадии . Она сильно отличается и сложнее, чем испарение однокомпонентной жидкости. Для многокомпонентной жидкости расчет количества вспыхнувшего пара и остаточной жидкости, находящихся в равновесии друг с другом при заданной температуре и давлении, требует итеративного решения методом проб и ошибок. Такой расчет обычно называют расчетом равновесной вспышки. Он включает решение уравнения Рашфорда-Райса : [4] [5] [6] [7]
где:
Константы равновесия K i в общем случае являются функциями многих параметров, хотя наиболее важным из них, возможно, является температура; они определяются как:
где:
После того, как уравнение Рачфорда-Райса решено для β , составы x i и y i можно немедленно рассчитать как:
Уравнение Рачфорда-Райса может иметь несколько решений для β , максимум одно из которых гарантирует, что все x i и y i будут положительными. В частности, если есть только одно β, для которого:
тогда β является решением; если таких β' несколько , это означает, что либо K max < 1, либо K min > 1, что указывает соответственно на то, что никакая газовая фаза не может поддерживаться (и поэтому β = 0) или, наоборот, на то, что никакая жидкая фаза не может существовать (и поэтому β = 1).
Для решения приведенного выше уравнения воды можно использовать метод Ньютона , но существует риск сходимости к неправильному значению β ; важно инициализировать решатель с разумным начальным значением, например ( β max + β min )/2 (чего, однако, недостаточно: метод Ньютона не дает никаких гарантий устойчивости), или, в качестве альтернативы, использовать решатель со скобками, например, метод бисекции или метод Брента , которые гарантированно сходятся, но могут быть медленнее.
Равновесное испарение многокомпонентных жидкостей очень широко используется на нефтеперерабатывающих , нефтехимических и химических заводах, а также на заводах по переработке природного газа .
Распылительная сушка иногда рассматривается как форма мгновенного испарения. Однако, хотя это форма испарения жидкости, она довольно сильно отличается от мгновенного испарения.
При распылительной сушке суспензия очень мелких твердых частиц быстро высушивается путем суспендирования в горячем газе. Сначала суспензия распыляется на очень мелкие капли жидкости, которые затем распыляются в поток горячего сухого воздуха. Жидкость быстро испаряется, оставляя сухой порошок или сухие твердые гранулы. Сухой порошок или твердые гранулы извлекаются из отработанного воздуха с помощью циклонов , рукавных фильтров или электростатических осадителей .
Естественное мгновенное испарение или мгновенное осаждение может происходить во время землетрясений, приводя к отложению минералов, содержащихся в пересыщенных растворах , иногда даже ценной руды в случае золотоносных, золотоносных вод. Это происходит, когда блоки породы быстро тянутся и отталкиваются друг от друга разломами . [ 8]
