研究発表

垂直渦管が衝突する希薄メタン/空気よどみ流予混合火炎の火炎面挙動特性について,レーザートモグラフィによる火炎面の可視化画像解析をもとに検討した.バーナー内に設置した回転棒の回転数の増加により火炎面挙動は安定火炎から振動火炎,変動火炎へと変化した.変動火炎形成時の火炎面挙動をより詳細に検討するため,火炎面位置および火炎面曲率の経時変化を解析した.

メタノールの部分酸化反応による発熱を水蒸気改質反応及び原料である水およびメタノールの蒸発の熱源として利用する自立型のオートサーマル改質反応器において,触媒のサイズおよび部分酸化反応(POX)触媒と水蒸気改質(STR)触媒の触媒量の比が改質特性に与える影響について検討した.その結果,水素転化率を最大にするためには触媒のサイズに依らずPOX/STR比が7から8となるよう触媒量を調整する必要があることが分かった.

天然ガスの貯蔵および輸送の手段として天然ガスハイドレート(NGH)を用いる輸送方式に着目し,安全面への対策として事故により NGHに火炎が形成された場合を想定してNGH火炎の伝播特性を把握するための燃焼実験を行った.NGH火炎は空気流速の大きさにより定常的に伝播する場合と不安定に伝播する場合があることが分かった.また,NGHは燃え尽きることはなくNGHの分解で生じた氷の膜により可燃混合気体の供給が断たれ自然に消炎した.

メタノールからの高純度水素生成を目的とした水素分離膜一体型の改質器について,水素分離膜の温度が膜透過水素流量に与える影響,水素分離膜の使用時間が透過水素流量に与える影響について実験的に検討した.その結果,分離膜温度の上昇とともに透過水素流量は増加することが確認された.水素分離膜使用時間の増加により透過水素流量は減少した.これは水蒸気改質反応の副生成物である二酸化炭素や一酸化炭素および未反応物の膜表面への吸着量が時間とともに増加するためだと考えられる.

水素生成のためのメタノール水蒸気改質器について,改質触媒まわりの熱および物質移動が改質特性に与える影響を明らかにするため,触媒まわりの反応を伴う流体挙動について数値解析的に検討した.流れ場は二次元,層流であるとし,反応モデルはメタノール水蒸気改質反応,水性シフト反応および逆水性シフト反応の3段の反応モデルを使用した.円柱状の触媒を一つ配置してレイノルズ数が改質ガス組成変化に与える影響を明らかにした.

水分子が水素結合によって作るかご状構造の内部に二酸化炭素分子を包蔵した二酸化炭素ハイドレートを燃焼場に投入し,酸素遮断および温度低下を同時に行う効率的の良い新規な消火方法について検討した.メタノールプール火炎の消火に対する二酸化炭素ハイドレートの消火特性を氷およびドライアイスと比較した.消火に必要な質量について検討するとともに,燃焼場における二酸化炭素ハイドレートの分解機構と燃焼場の変化についてシュリーレン法を用いて検討した.

燃料電池に水素を供給する方法の一つとして炭化水素系燃料の改質による水素製造が注目されている.本研究では,燃料としてメタノールを採用し,水蒸気改質反応と部分酸化反応を組み合わせたオートサーマル改質反応に着目した.発熱反応である部分酸化反応により発生した熱を吸熱反応である水蒸気改質反応に供給することにより,外部からの熱の供給なしに自立的,持続的に改質反応を進行させるための条件について実験的に検討した.

流体の引き伸ばしと折りたたみを繰り返すことで混合を促進し層流状態で効率的な混合を達成するノンエレメントミキサーの対流混合過程について数値解析を利用して検討した.主流に対し流体を注入する支流の本数の影響に着目し,注入された流体塊の形状変化について解析した結果,支流本数が多いほど支流からの押し出しによる混合促進効果が飛躍的に増加することが明らかになった.

渦管が垂直に作用するよどみ流予混合火炎面の火炎面挙動について可視化画像をもとに実験的に検討した.希薄メタン/空気火炎を用い,バーナー内に設置した回転棒の回転数を変化させることで火炎面に作用する垂直渦管の回転周波数を変化させた結果,火炎面の挙動は回転周波数の増加につれて安定火炎から単周期的な火炎挙動,さらに二重周期的火炎挙動へと変化することが明らかになった.

安全に,エネルギー効率を高くかつ環境に配慮して化学品の生産を行うには化学装置のコンパクト化が望まれるが,マイクロリアクターに代表されるような小型装置では反応による局所的な物性変化が内部の流動および混合状態に大きな影響を与える.本研究では小型流路内で発熱反応により発生する振動現象に着目し,反応と移動現象が同時に相互作用し合う系をモデル化するためのペトリネットモデリングを含むマルチスケールの解析手法の適用について検討した.

粘度の大きく異なる互いに不溶な液液二相系について,水平方向に振動を加えた場合の界面の不安定性について検討した.円筒型及び円環型の２種類の容器を用い,容器に与える振動の周波数及び二流体間の相対速度を変化させて界面不安定化の閾値を求めた.界面が不安定となる臨界相対速度は容器形状に関わらず加える周波数の増加により減少することが明らかになった.一方,界面に形成される波の形は容器形状により大きく異なることがわかった.

コンパクトな容器内で発熱反応により発生する振動現象について,可視化情報とプロセス情報を利用した解析方法を提案した.可視化画像解析から下流側での振動パターン変化に全体粘度が及ぼす影響について,また温度計測データから全体粘度の増加が温度振動パターンに及ぼす影響について明らかにすることができ,フラクタル解析により空間パターン及び時間パターンの両方を定量的に議論することが可能であることを示した.

液体反応流れ場で発生する振動現象について,流路幅の小さい矩形管を用いて実験的に検討を加えた.流れの振動パターンは,主流方向に複雑に変化することを実験的に示し,そのパターン変化に粘度比,全体粘度,流量比,全流量が与える影響についてフラクタル解析を用いて検討した.その結果重要な因子であることが明らかになった全体粘度が温度振動に与える影響についてもフラクタル解析を行った.

気液並流式と比較して操作範囲が狭い反面,高いガス吸収性能を有すると期待される気液向流式気泡塔に関して,気泡塔設計に必要となる流動特性としてガスホールドアップ,軸方向混合拡散係数および液側物質移動容量係数に着目し,塔径0.2 m,塔高1.8 mのラボスケールの気泡塔を用いてこれら流動特性を実験的に明らかにした.さらに流動特性に及ぼす液流速の影響について明らかにした.

洗浄,農業および廃水処理等の分野で実績を挙げているナノバブルについて,液中でのナノバブルの存在状態や寿命などを実証するデータを得るため,気液混合剪断法によりイオン交換水および水道水中に生成させた空気ナノバブルの個数分布測定およびその経時変化の測定を各種分析機器により行った.また,水中でのナノバブルの長期的な存在および測定個数の変化を観察した.

界面活性剤なしで安定なW/Oエマルションを製造できる方法として蒸気直接接触凝縮法に注目し,油中に微小水滴を分散させるための各操作条件の影響を実験的に明らかにした.さらにより保持時間の長い高品質なエマルションを製造するため,スチームを噴射するノズルの改良を行った.また,蒸気直接接触凝縮における水滴生成メカニズムを提案し,生成する水滴径を比較的良好に予測することのできる推算式を提案した.

気液2相流を利用したマイクロチャンネル型熱交換器を開発するため,特に熱移動特性が高いと考えられるスラグ流に注目し,マイクロチャンネル内の流動状態と熱移動との関係を実験的に検討した.また,液物性の変化による界面張力の変化が熱移動に及ぼす影響について検討した.その結果,マイクロチャンネル内スラグ流では液膜によるスラグ内循環流が熱伝達速度を向上させることが明らかになった.