フロー反応シミュレーションによる低エントロピー反応空間の基礎理論と設計論の構築

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 低エントロピー反応空間が実現する高秩序触媒反応化学
• 研究課題/領域番号: 21H05083
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 浅野 周作 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (30827522)
• 研究分担者: 工藤 真二 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (70588889)
• 研究期間 (年度): 2021-08-23 – 2024-03-31
• キーワード: 数値流体力学計算 / 速度解析 / 活性化パラメーター / 反応装置設計 / フローリアクター

研究実績の概要

2023年度においては、最終のとりまとめ作業を進め、以下の項目について整理と論文化を実施した。
まず第一に、フロー式触媒反応装置における特異的な活性向上のメカニズム解明を宮村班と共同で実施し、Journal of Flow Chemistry誌にて発表した。特に、気液固３相の接触が鍵となっていることを滞留時間分布測定と反応速度解析を気液比を変えた条件で調査して明らかにした。気液固３相の直接接触は、通常のバッチ式装置では発生しないが、フロー式反応器での高秩序状態によって維持されていることが判明した。
第二に、均相系の混合・反応挙動について、独自に開発した発色反応系とインライン分光分析から詳細に検討し、Chinise Journal of Chemical Engineering誌にて発表した。混合の速度と乱雑性にある種のトレードオフ関係が存在することを明らかにした。
第三に、T字ミキサー、V字ミキサーでの高レイノルズ数領域での混合における非定常性、乱雑性について、蛍光顕微鏡法を用いて観察・解析を実施した。高レイノルズ数領域においては、流れは周期性を持たないカオス状となる。V字ミキサーの場合、等量混合では、非定常性が強く出てしまい、規定の混合比が保てなくなる一方、非等量では非定常性が大きく軽減され、1ms程度での完全混合が達成できることを実験的に明らかにした。得られた成果はChemical Engineering Journal誌にて発表した。
これらはいずれもフロー式反応器特有の秩序構造が化学反応に及ぼす影響について、新たな観点から明らかにしたものであり、領域研究の成果にふさわしいものである。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Warwick(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Warwick
• [国際共同研究] Burapha University(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: Burapha University
• [雑誌論文] Assessing mixing uniformity in microreactors via in-line spectroscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: Asano Shusaku、Kudo Shinji、Maki Taisuke、Muranaka Yosuke、Mae Kazuhiro、Hayashi Jun-ichiro
  • 雑誌名: Chinese Journal of Chemical Engineering 巻: 66 ページ: 119～124
  • DOI: 10.1016/j.cjche.2023.09.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chaotic-flow-driven mixing in T- and V-shaped micromixers (2024)
  • 著者名/発表者名: Asano Shusaku、Kudo Shinji、Hayashi Jun-ichiro
  • 雑誌名: Chemical Engineering Journal 巻: 489 ページ: 151183～151183
  • DOI: 10.1016/j.cej.2024.151183
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanistic origins of accelerated hydrogenation of mixed alkylaromatics by synchronised adsorption over Rh/SiO₂ (2023)
  • 著者名/発表者名: Cherkasov Nikolay、Asano Shusaku、Tsuji Yuta、Okazawa Kazuki、Yoshizawa Kazunari、Miyamura Hiroyuki、Hayashi Jun-ichiro、Kunitsa Alexander A.、Jackson S. David
  • 雑誌名: Reaction Chemistry & Engineering 巻: 8 ページ: 1341～1348
  • DOI: 10.1039/D3RE00032J
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of gas-solid direct contact on gas-liquid-solid reaction performance in a flow reactor (2023)
  • 著者名/発表者名: Asano Shusaku、Miyamura Hiroyuki、Matsushita Mizuki、Kudo Shinji、Kobayashi Sh?、Hayashi Jun-ichiro
  • 雑誌名: Journal of Flow Chemistry 巻: 14 ページ: 329～335
  • DOI: 10.1007/s41981-023-00295-9
  • 査読あり
• [学会発表] Mechanistic Origins of the Accelerated Hydrogenation in Flow (2023)
  • 著者名/発表者名: Shusaku Asano
  • 学会等名: Flow Chemistry Asia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigation of mixing and reaction in microreactors utilizing computational fluid dynamics (2023)
  • 著者名/発表者名: Shusaku Asano
  • 学会等名: CES-CHEM 2023 meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会・シンポジウム開催] CES-CHEM 2023 Meeting (2023)