2017 Fiscal Year Research-status Report
コーティング円筒を用いたテイラー渦流の連続型反応装置への応用に関する研究
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17K06885
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
吉川 史郎 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (40220602)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | テイラー渦の安定性 / 同心二重円筒型反応装置 / 粘弾性流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
同心二重円筒間に液体を満たし，内円筒のみを回転させた時に生じるテイラー渦列を完全混合槽型反応器列とみなして流通系反応器として応用することを目的として安定した渦流の形成と流体の粘弾性の関係を検討することを29年度の第1の目的とした。具体的には渦の安定化に効果があることが確認されているエポキシ系の防食コーティングを施した内円筒を用い，効力減少効果のある高分子を添加した粘弾性流体が渦の安定にどの程度寄与するかを流れの可視化結果に基づいて検討した．添加する高分子としてポリエチレンオキシド(PEO)，ポリエチレングリコール(PEG)，キサンタンガム(XAN)を用いた．それらをPEO，PEGについては濃度1000PPM，XANについては1000PPMと100PPMとなるように添加したグリセリン水溶液の流動特性，動的粘弾性をレオメータにより測定し，いずれも擬塑性の粘弾性流体であり，流体によって損失正接の値がどの程度異なるかを確認した．次に，コーティングを施した内円筒を設置した同心二重円筒装置に高分子添加溶液を満たしてテイラー渦を発生させ，渦列断面を横切る角度でレーザーシート光を照射し，USB高速度カメラを用いて流れの可視化撮影を実施し，撮影画像をパーソナルコンピュータに取り込み，流体解析ソフトウエアにより解析した．その解析により，流線および渦度を求め，渦安定性について検討した結果，上記3種類の高分子のうち，損失正接の値が測定された周波数条件でほぼ同じ範囲にあるPEO溶液と100PPMのXAN溶液で広い回転数条件の範囲で安定な渦が観察された．弾性が最も低いPEGでも回転数条件範囲は狭いものの安定な渦が生成することが確認された．しかしながら，損失正接が最も小さく弾性の強い1000PPMのXAN溶液では明確な渦列が観察されなかった．以上により粘弾性と渦の安定性の相関を確認することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
予定された粘弾性流体によりテイラー渦が安定することと，粘弾性のパラメータと渦の安定性の相関関係はほぼ確認できた。概ねとしたのはこれまで使用してきた高さ80mmの円筒の他に，倍の高さ160mmの円筒を使用した際に明瞭に渦の可視化撮影を行うことができず，装置の幾何学的条件と渦の安定性についての検討が十分にできなかったためである。
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| Strategy for Future Research Activity |
30年度はまず29年度に実施できなかった円筒の高さを変更した場合に渦の安定性にどのような影響が及ぶかを検討するための流れの可視化実験を実施し，幾何学的条件と流れの状態の相関関係を明確にする．その次の段階として安定したテイラー渦列が生じる条件において二重円筒装置を流通系連続反応器として操作した際の特性，特に滞留時間分布を明らかにする．滞留時間分布測定実験は二重円筒装置の上部，下部に流体流出口，流入口を設置し，二重円筒間を試験液体で満たし，内円筒を所定回転数で操作している状態からトレーサーのKCl水溶液をステップ状に流入させ，出口に白金黒メッキを施した白金電極対を挿入し，液体中の電気抵抗を連続的に計測する．測定された抵抗値の経時変化パーソナルコンピュータに記録し，解析を行う．幾何学的条件の異なる二重円筒装置それぞれについて水，グリセリン水溶液，高分子を添加したグリセリン水溶液を試験流体として渦列の流動状態解析から安定操作可能な範囲についてトレーサー流量をパラメータとして変化させて実験を行う．測定されたステップ応答曲線を数値微分することにより滞留時間分布を求め，さらに完全混合槽列モデルと比較し，対応する槽数を求める．トレーサー流量が大きすぎると渦列を乱すことが考えられることから，幾何学的条件，内筒回転数などの操作条件によって槽列モデルが適用できるトレーサー流量範囲が限られることが予想される．そこで，さらなる解析として各条件において生じる渦数に応じた槽数のモデルで滞留時間分布が記述できるトレーサー流量範囲を操作可能範囲として明らかにすることを試みる予定である．その後，最終年度にはそれまでに明らかとなる二重円筒装置を完全混合槽列型連続反応装置として使用できる操作条件において反応実験を実施し，連続反応装置としての性能評価を行う．
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| Causes of Carryover |
新たな内円筒の作成費が業者からのアドバイスなどにより，より低価格とすることができたことが一つに理由である．あとはかなり多種の高分子試薬を購入して渦の安定化に効果を有するかどうかをテストすることを想定していたが，代表的な効力減少効果を示す高分子試薬で十分な渦の安定化の確認を行うことができ，試薬にかかる費用を削減できたことと，ソフトウエアの保守，更新などで発生すると考えていた費用がほとんど発生しなかったことなどが次年度使用額が生じた理由である．しかしながら，平成30年度においては29年度に発生しなかった保守，更新のための予算を確保する必要があるとともに，30年度においても新たに内円筒を作成する必要が生じる可能性がある．そのため，次年度使用額をそれらに充てる必要があると考える．
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Research Products
(1 results)
