この演習について
COCO(COFE)を使って、水とエタノールの混合液を1回だけ加熱・蒸発させる「フラッシュ蒸留」を計算します。フィードはエタノール20 mol%の液体ですが、発生した蒸気側は約51 mol%まで濃縮されます。この「同じ温度・同じ圧力なのに、蒸気の方が成分の濃さが違う」という事実こそが、蒸留という分離操作の正体です。
✅ この演習で確認すること
フィード20% → 蒸気側は約51%まで濃縮される。これを自分の手でCOCOに計算させて確認する。
結果の数値（先に答えを見ておく）
| 項目 | フィード F | 蒸気 V | 液 L |
|---|---|---|---|
| 流量 [mol/s] | 27.8 | 約 2.75 | 約 25.0 |
| エタノール モル分率 | 0.200 | 0.509 | 0.166 |
| 水 モル分率 | 0.800 | 0.491 | 0.834 |
| 温度 [K] | 298.15（供給時） | 357.25（参考値） | 357.25（参考値） |
| 圧力 [Pa] | 101325 | 101325 | 101325 |
COCOでは流量はmol/s、温度はK、圧力はPaで入力します（参考：27.8 mol/s ≈ 100 kmol/h、298.15 K = 25°C、101325 Pa = 1 atm）。蒸気側の357.25 Kは計算結果の目安値で、実際にCOCOが解いた値とは小数点以下で多少ずれることがあります。単位をkmol/hや°Cなど使い慣れた単位に変更したい場合はCOCOの単位設定を変更するを参照してください。
エタノールのモル分率をバーの長さで比較。蒸気側だけが元のフィードより明らかに濃くなっていることに注目。
💡 数値の意味
K値：K(エタノール) = 0.509 ÷ 0.166 ≈ 3.07 K(水) = 0.491 ÷ 0.834 ≈ 0.59
相対揮発度 α(エタノール/水) ≈ 5.2 → エタノールは水よりずっと蒸気に移りやすい
なぜこの系・この数値を選ぶか
水とエタノールは、約89 mol%エタノール・351.35 K（78.2°C、1 atm）で共沸混合物を作る非理想系です。理想溶液（ラウールの法則だけ）ではこの挙動は再現できないため、「なぜ分離できるのか」を説明する教材として最適です。フィード組成20 mol%はビールやワインの粗留に近い値で生徒にもイメージしやすく、357.25 K付近は水の沸点373.15 K（100°C）とエタノールの沸点351.15 K（78°C）のちょうど中間にあたるため、「両方が沸いている状態＝気液平衡」というフラッシュ蒸留の本質を説明しやすい条件です。
COCO(COFE)操作手順
Step 1: 新規フローシートを開く
- COFEを起動する。
File > Newで新規フローシートを作成する。
Step 2: 熱力学モデルを設定する（最重要）
- COFEウィンドウ左側にあるSettingsボタンをクリックする。Flowsheet Configurationウィンドウが開く。
- 「Property packs」タブが選択されていることを確認し、Addをクリックする。Select Thermo Pack or Prop...ウィンドウが開く。
- TEAを選択してSelectをクリックする。
- Property pack from TEA Property Pack...ウィンドウが開くのでNewをクリックする。
- Property pack definitionウィンドウが開く。名前（例：EtOH-Water）を入力し、Thermodynamic model setのドロップダウンからNRTLを選択する。
- Addをクリックして化合物を追加する。WaterとEthanolを検索して追加する。
- ウィンドウを閉じてフローシートに戻る。
⚠️ 注意
Thermodynamic model setをIdeal（理想溶液系）のままにすると共沸挙動が再現されず、「なぜ分離できるのか」の面白さが消えてしまいます。必ずNRTLを選択してください。二成分パラメータ（エタノール-水）は標準搭載されているため、追加の取得作業は不要です。
Step 3: Flashユニットを配置する
Insertメニュー（またはツールバーのユニット操作挿入ボタン）からUnit Operationを選ぶ。Select Unit Operationウィンドウが開く。- Separators > Flashを選択する。フローシート上をクリックしてFlash（二相分離器）を配置する。
Step 4: ストリームを接続する
InsertメニューからStreamを選ぶ（またはストリーム挿入ボタンをクリック、もしくはCtrl+I）。マウスカーソルが+（クロスヘア）に変わることを確認する。- フローシート上の何もない場所をクリックして始点を決める。
- マウスをFlashのアイコンの上まで動かす。アイコンに重なると、一番近い接続点（インレット）が小さくハイライト表示される。このハイライトが出ている状態でクリックすると、そこにストリームが接続される。ハイライトが出る前にクリックしてしまうと、ただの線が引かれるだけで接続されない。
- 再度ストリーム挿入ボタンをクリックし、Flashのアイコン上部（vapor outlet側）にカーソルを重ねてハイライトが出た位置でクリックする。「vapor outletにするか」を聞かれるので「はい」を選ぶ。
- 同様の操作でFlash下部（liquid outlet側）から液ストリームを接続する。
⚠️ 線は引けるが接続されないとき
クリックした位置がFlashのアイコンぴったりの上でないと、接続点はハイライトされず、ただの浮いた線になる。対処法：(1) 先にFlashのアイコンにゆっくりマウスを近づけ、ハイライトが表示される位置を確認してからクリックする。(2) それでも見つけにくい場合はズームインしてアイコンを大きく表示する。(3) 一度浮いた線ができてしまった場合は、その端点をドラッグしてFlashのアイコンの上まで持っていき、ハイライトが出たところで放すと後から接続できる。
Step 5: フィードストリームの条件を入力する
- フィードストリームを右クリックし、Edit/viewを選ぶ（ダブルクリックでも開く）。
- 条件を入力する：Temperature = 298.15 K、Pressure = 101325 Pa、Total Flow = 27.8 mol/s、Composition（mole fraction）はEthanol 0.20、Water 0.80。COCOの入力欄は流量がmol/s、温度がK、圧力がPa単位である点に注意（単位の変更方法はこちら）。
Step 6: Flashの運転条件を指定する
- Flashユニットを右クリックし、Edit/viewを選ぶ（ダブルクリックでも開く）。ユニット操作のプロパティウィンドウが開き、Editページにパラメータの一覧が表示される。
- パラメータ一覧の中からPressureをクリックして101325 Paを入力する。同様にVapor Fractionをクリックして0.10を入力する（Temperatureは空欄のままにしておく）。灰色表示のパラメータは計算結果であり編集できない点に注意。
⚠️ なぜ温度を直接指定しないのか
この教材の357.25 K（84.1°C）という数値は文献値に基づく目安であり、COCO内部のNRTLパラメータとは小数点以下で一致しません。Temperatureを357.25 Kのように直接指定すると、実際の（液相の）沸点よりわずかに低い（＝まだ全量液体で気相が存在しない）条件になってしまうことがあり、その場合Vaporストリームは気相が存在しないため便宜的にフィードと同じ組成（0.2）を表示してしまいます。Vapor Fraction（気化率）とPressureを指定し、温度はCOCOに解かせる方式なら、パラメータの違いに関わらず必ず気液二相の分離結果が得られます。計算後の温度はおおよそ357 K付近になるはずなので、大きくずれる場合は入力ミスを疑ってください。
Step 7: 計算を実行する
- ツールバーの▶（Solve/Run）をクリック、または
Flowsheet > Solve。 - 収束すると各ストリームのアイコンが緑（Converged）になる。
Step 8: 結果を確認する
- Vaporストリームをダブルクリックし、Compositionタブでエタノールが約0.51になっていることを確認する（Temperatureはおおよそ357 K付近になっているはず）。
- Liquidストリームをダブルクリックし、エタノールが約0.17になっていることを確認する。
- フィード0.20 → 蒸気0.509（約2.5倍に濃縮）、液0.166（濃度が下がる）という対比を確認する。
発展：T-x-y線図で共沸まで見せる
- プロットの基準となるストリームが1本以上フローシート上に必要（Feedストリームをそのまま使ってよい）。
- メニューの
Plot > TX Plotを選択する（Binary Plotのショートカット版で、組成に対する温度－組成図を自動で描いてくれる）。 - 系列（Series）の設定ウィンドウで、参照するStreamにFeedを選ぶ。
- OKをクリックすると、横軸に組成（mole fraction）、縦軸に温度（K）をとった液相の沸点曲線と気相の露点曲線、すなわちT-x-y線図が自動で描画される。
図：COCOでの出力結果
生徒に確認させるポイント：
- 蒸気線（上側、気相の露点曲線）は常に液線（下側、液相の沸点曲線）より高いエタノール濃度側にある → だから蒸留で濃縮できる。
- 約89 mol%エタノールで蒸気線と液線が接する（共沸点、351.35 K）→ そこから先は普通の蒸留では分離できないことも同時に見せられる。
今回のフラッシュ計算（x≈0.166、y≈0.509、T≈357.25 K は目安値）を線図上に照らし合わせ、「1回のフラッシュはこの線図上の水平線（タイライン）1本に対応している」ことを説明すると、蒸留塔（タイラインの積み重ね）への橋渡しになる。
授業でのトーク例
→ 一部が蒸発し、気体と液体が共存する状態になる。
→ 予想させてから計算結果0.509を見せる。
→ エタノールの方が沸点が低い＝蒸気圧が高い＝K値が水よりずっと大きい（3.07対0.59）ため、蒸気に移りやすい。
→ さらに濃縮される。これが多段蒸留（蒸留塔）の考え方につながる。
補足
上記のK値・組成の関係は、水-エタノール系の気液平衡データ（101325 PaにおけるT-x-yデータ、NRTLモデルで再現される標準的な挙動）に基づく代表値です。COCOの計算結果は使用するNRTLパラメータのデータベースバージョンにより小数点以下1桁程度前後する場合がありますが、「フィード20% → 蒸気50%前後まで濃縮」という定性的な結論は変わりません。実機での数値確認を行う際は、この資料の数値を「予想値」として提示し、COCOでの計算結果と照合させる形にすると探究的な授業になります。