化学エンジニアである私は, ただ葉巻を吸ってそれで終わりにすることはできません. ここでは, 葉巻の構造, 構造, 化学プロセスゾーンを解析し, 葉巻内の煙の温度分布と酸素濃度の簡単なモデルを紹介します.
葉巻の構造, 構造, プロセスゾーン
葉巻を時々吸う人なら誰でも, 最初の数回の吸気で鋭さと覚醒感を感じ, その後の数回の吸気で得られる落ち着きと静けさによってさらにその感覚が増すのを実感できるでしょう. 健康上の問題はさておき, 私の意見では, 葉巻を吸うことは, 時には平穏と思索を達成する最良の方法になることがあります.
最も覚醒している瞬間には, 通常, まっすぐな燃焼線が引けているかどうかを確認します. このとき, 燃焼や葉巻内での輸送と反応について考えることがあります. 心が落ち着くと, 私はたいてい煙のパターンを賞賛し, それから時々その流体力学について考えます.
以下の図は, 葉巻のヘッド, ボディ, フット, キャップの構造, フィラー, バインダー, ラッパーリーフの構造, そして喫煙中に葉巻で起こる燃焼, 熱分解, 凝縮ゾーンなどのさまざまなプロセスのゾーンを示しています (さらに読むセクションの参照).
葉巻の構造, 構造, およびさまざまなプロセスゾーン. 葉巻の芯はフィラーで, バインダーは葉巻の構造を維持するのに役立ち, ラッパーの葉はそれを包みます. キャップは喫煙前に切り取られます. 細くまっすぐな燃焼線が望ましいです.
点火後, 葉巻が擬似定常状態に達すると, 燃焼ゾーンが形成されます. 燃焼ゾーンのすぐ後ろに熱分解ゾーンが形成されます.
燃える葉巻の化学プロセス
一服中および一服間の拡散を通じて燃焼ゾーンに運ばれる酸素は, 対流および拡散によって燃焼プロセスで消費されます. したがって, 酸素が枯渇したガスだけが燃焼ゾーンの後ろのゾーンに到達し, そこで熱分解が起こります. このゾーンでは, 酸素がない状態でタバコの葉に含まれる有機化合物の熱分解が起こります. 熱分解生成物の一部は蒸発しますが, 燃焼ゾーンと灰ゾーンが葉巻の先端に向かって移動するにつれて, 残りは燃焼ゾーンになる場所でさらに酸化されます. つまり, 熱分解ゾーンでは蒸留も発生します.
吸うと, 熱分解ゾーンから蒸発した物質が煙に追われて葉巻の先端に向かいます. 煙が先端に移動するにつれて, 冷たいタバコによって冷却され, 濾過されます. 温度の低下によって煙に含まれる化合物の一部が凝縮し, エアロゾルを形成します. 形成された小さな液滴には, ニコチンと主流煙の多くの風味が含まれています. ラッパーからの空気の漏れや葉巻からの一酸化炭素の漏れにより, 煙がいくらか薄まります. ただし, ラッパーの葉はガス透過性があまりないため, これらのプロセスは両方とも非常に遅くなります.
また, フィラータバコ, バインダー, ラッパーの葉の多孔性は異なることに注意してください. 多孔性によって, 燃焼ゾーンと熱分解ゾーンの形状が決まります.
葉巻の形状に影響を与えるもの
燃焼ゾーンの形状によって, 葉巻を吸ったときに葉巻がとる形状も決まります. 葉巻を吸う間, 葉巻の縁の周囲で酸素が大量に輸送されるため, 葉巻のラッパーに近い部分の燃焼プロセスが加速されます. 葉巻を吸う間, 縁は周囲の空気によってよりよく冷却され, 温度分布はより均一になり, 葉巻の中央への燃焼の分布により燃焼ゾーンがより均一になります.
葉巻を吸うのが速すぎると, 葉巻の縁が中央よりも早く燃えるコーニング状態になります. 一方, 葉巻を吸うのが遅すぎると, トンネル状態になります. なぜでしょうか. それは, 周囲の空気が縁をよりよく冷却するため, 葉巻の中央が葉巻を吸う間により早く燃えるからです. 点火や葉巻の構造に欠陥があると, カヌーやランナーなどの不均一燃焼の他の影響も発生する可能性があります (燃焼の問題の詳細については, こちらをご覧ください).
個人的には, トンネル化は温度を下げ, 煙の量を減らして質を低下させるため, 最悪の問題だと思います.
葉巻シミュレーション
以下は, 葉巻を吸っている間と吸っている間の比較的単純なモデルのシミュレーション結果です. このモデルは, タバコの熱分解に加えて, 燃焼と炭素の形成を説明しています. また, 酸素, 煙, 窒素の輸送もモデルに含めました. もちろん, 実際には, 化学工学の観点から見るとプロセスははるかに複雑ですが, このモデルは煙の温度分布と酸素濃度をわかりやすく簡単に示しています.
葉巻の煙の温度分布 (上) と酸素濃度 (下). 一服すると燃焼ゾーンの酸素濃度は劇的に低下します. ラッパーからの漏れはわずかな影響しか与えません. 炭素の燃焼は, 反応工学におけるコアの縮小問題の典型的な例です.
葉巻の煙を吸い込まないでください
葉巻の煙の成分が口の中で溶けると, 唾液はアルカリ性になります. 対照的に, タバコの煙は唾液を酸性にします. 低 pH では, ニコチンはプロトン化されるため, 電荷が中性になります. 一方, 高 pH では, ニコチンはプロトンを失い, 負に帯電します. ニコチンの負に帯電したイオンは, 反発する中性形態よりもはるかに簡単に口内の膜を通過することができます. このため, 葉巻の煙は吸い込む必要はなく, 吸い込んではいけません. ニコチンは口の中で取り込まれるだけで吸収され, 血液中に運ばれます.
前述のように, ニコチンの最初の摂取が思考を加速し刺激する効果を発揮すると, ニコチン濃度の増加により, 最初の活性化が静けさに置き換わります. この一連の出来事は, 最初にこの現象を指摘した科学者にちなんで, Nesbitt のパラドックスと呼ばれています.
単なる葉巻以上のもの
気づいていない読者のために言うと, このブログのタイトルは “葉巻は時にただの葉巻である” という引用 (正確には誤引用) をもじったものです. 元の引用は, Sigmund Freud が, Freud 自身の理論によって暗示されているように, 葉巻を頻繁に吸うことが男根の象徴的な意味を持つというほのめかしに対する返答に言及しています (この理論に馴染みのない方は, こちらとこちらで詳細をお読みください. )
葉巻喫煙に伴う複雑なプロセスと美しい煙のパターンは, 男根の象徴性はさておき, 葉巻が実際には単なる葉巻以上のものであることを示しています…
さらに読む
- R.R. Baker, “Mechanisms of Smoke Formation and Delivery”, Tobacco Chemists’ Research Conference Symposium, 1980.
- “Cigarette combustion science“.
- P. Ermala and L. Holsti, “On the Burning Temperatures of Tobacco”, Cancer Research,16:490-495, 1956.
免責事項: COMSOL は喫煙を推奨するものではなく, 調査科学と, マルチフィジックスが関係する日常のシナリオのシミュレーションのみを推奨します.
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