マイクロ単位操作の設計理論の確立と高効率ディバイス開発

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14350409
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 長谷部 伸治 京都大学, 工学研究科, 教授 (60144333)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加納 学 京都大学, 工学研究科, 助教授 (30263114) ; 大嶋 正裕 京都大学, 工学研究科, 教授 (60185254) ; 前 一廣 京都大学, 工学研究科, 教授 (70192325) ; 牧 泰輔 京都大学, 工学研究科, 助手 (10293987) ; 野田 賢 京都大学, 工学研究科, 助手 (60293891)
• Keywords: マイクロリアクター / 最適設計 / 流動シミュレーション / 炭素系触媒 / メタノール改質 / ポリマーチップ / 射出成形

Research Abstract

研究課題3項目について、本年度の成果を以下に示す。
1)滞留時間分布を表現可能なマイクロ装置モデルとマイクロディバイス作成法の開発
マイクロ分配器に対して流動実験を行い、CFDシミュレーションのマイクロチャネル間滞留時間分布の推定精度を評価した。その結果、屈曲部などを有する場合はナビエストークス方程式に基づく厳密な流動モデルが必要であるが、マイクロチャネルのような直管部については簡便な圧力損失モデルが適用できることを確認した。また、射出成形において、炭酸ガスを溶解させた樹脂を射出することにより、マイクロチャンネル形状のポリマーチップへの転写性を飛躍的に向上させられることを実験より明らかにした。
2)流動シミュレーション手法と最適化手法の融合
圧力損失コンパートメントモデルを用いたマイクロリアクターの簡易流動シミュレーション手法を開発した。マイクロリアクターの最適設計問題に、上記の圧力損失コンパートメントモデルを適用することで、並列化マイクロチャネル部での滞留時間分布制約などの複雑な設計条件の下で、マイクロリアクターの最適な構造・形状・サイズを効率的に決定できることを示した。
3)各種触媒エレメントを用いた多段環境浄化用ディバイスの開発
昨年度開発した触媒エレメントの高活性化を目的に、膜基質の選択、金属触媒種の影響、炭化温度など触媒調製条件の影響を検討した。その結果、ポリアミック酸膜中のカルボキシル基をNiでイオン交換したのち700℃で炭化することで、触媒活性の重要な因子である炭素の細孔表面積を従前の100倍にまで大きくできることを見出した。この触媒を用いてアセンブル型のマイクロリアクターを製作し、モデル反応としてメタノールの改質反応を実施したところ、240℃程度の低温から活性を有すること、および選択的に反応を進行できることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Osamu Tonomura: "CFD-Based Optimal Design of Manifold in Plate-Fin Microdevices"Chemical Engineering Journal. (in press).
• [Publications] Y.Okubo: "Microchannel devices for the coalescence of dispersed droplets produced for use in rapid extraction processes"Chemical Engineering Journal. (in press).
• [Publications] 牧 泰輔: "マイクロ流路への適用を考えた金属担持炭素膜触媒の作製法の検討とその評価"化学工学論文集. (印刷中).
• [Publications] 前一廣, 長谷部伸治: "マイクロリアクター-新時代の合成法(分担執筆:10章、11章)"シーエムシー出版. 233 (2003)
• [Publications] Shinji Hasebe: "Process Systems Engineering 2003,Computer-Aided Chemical Engineering (Partially committed)"Elsevier. 1489 (2003)