層流反応器
層流動力学を用いた反応

層流反応器（LFR ）は、層流を利用して反応速度や反応分布を制御する化学反応器の一種です。LFRは通常、一定温度に保たれた一定直径の長い管です。反応物は一方の端から注入され、生成物はもう一方の端で収集・監視されます。 [1] 層流反応器は、単独の素反応や多段階反応機構の研究によく用いられます。

概要

層流反応器は、層流の特性を利用して様々な研究目的を達成します。例えば、LFRは化学反応における流体力学の研究に使用したり、カーボンナノチューブなどの特殊な化学構造を生成するために利用したりできます。LFRの特徴の一つは、反応物の投入点と生成物/サンプルの採取点の間の距離を変えるか、ガス/流体の速度を調整することで、反応器内の化学物質の滞留時間（化学物質が反応器内に留まる時間間隔）を変えることができることです。したがって、層流反応器の利点は、反応に影響を与える可能性のあるさまざまな要因を、実験全体を通して容易に制御および調整できることです。

LFRにおける反応物質の分析手段

反応を分析する手段としては、反応器内に挿入するプローブの使用が挙げられるが、より正確には、非侵入型の光学的手法（例えば、分光計を用いて内容物を識別・分析するなど）を用いて反応器内の反応を調べることができる場合もある。さらに、反応器の末端でガス／流体の全サンプルを採取し、データを収集することも有用である。[1]上記の方法を用いることで、濃度、流速などの様々なデータを監視・分析することができる。

LFRにおける流速

速度が制御された流体または気体は、層流反応器を層流として通過します。つまり、流体または気体の流れは、カードのように互いに滑り合います。粘度（「厚み」または「粘着性」）は同じだが速度が異なる流体を解析する場合、流体は通常、層流と乱流という2種類の流れに分類されます。乱流と比較して、層流は速度が低く、一般的にレイノルズ数も低くなります。一方、乱流は不規則で、速度が速くなります。そのため、乱流の1つの断面における流速は、しばしば一定、つまり「平坦」であると仮定されます。層流の「非平坦」な流速は、LFRのメカニズムを説明するのに役立ちます。LFR内を移動する流体/ガスの場合、パイプの中心付近の速度は、パイプの壁付近の流体よりも高くなります。したがって、反応物の速度分布は、中心から壁に向かって低下する傾向があります。

滞留時間分布（RTD）

パイプの中心付近の速度は、パイプの壁付近の流体よりも高くなります。そのため、反応物の速度分布は、中心で高く、側面で低くなる傾向があります。流体が入口から一定速度でLFRにポンプで送られ、流体の濃度が出口で監視されていることを考えてみましょう。滞留時間分布のグラフは、正の凹面を持つ負の傾斜のようになります。そして、グラフは関数によってモデル化されます。が より小さい場合、が 以上の場合。[2]グラフの初期値はゼロであることに注意してください。これは、物質がリアクターを通過するのに時間がかかるためです。物質が出口に到達し始めると、濃度は大幅に増加し、時間の経過とともに徐々に減少します。 E （ t ） ＝ 0 {\displaystyle E(t)=0} t {\displaystyle t} τ / 2 {\displaystyle \tau /2} E （ t ） ＝ （ τ 2 / 2 ） t 3 {\displaystyle E(t)=(\tau^{2}/2)t^{3}} t {\displaystyle t} τ / 2 {\displaystyle \tau /2} E （ t ） {\displaystyle E(t)}

特徴

LFR 内の層流は、互いに邪魔することなく並行に流れるというユニークな特徴があります。流体または気体の速度は、壁に近づくにつれて、また中心から遠ざかるにつれて自然に低下します。そのため、反応物はLFR 内で中心から側面に向かって滞留時間が増加します。徐々に増加する滞留時間により、研究者はさまざまな時間における反応のレイアウトを明確に把握できます。さらに、LFR での反応を研究する場合、速度、組成、温度の放射状勾配が重要です。[3]言い換えると、層流が重要でない他のリアクター、たとえばプラグフローリアクターでは、流れがほとんど乱流であるため、物体の速度は 1 つの断面上で同じであると想定されます。層流リアクターでは、速度は同じ断面のさまざまな点で大きく異なります。したがって、LFR を使用する場合は、リアクター全体の速度差を考慮する必要があります。

研究

過去数十年にわたり、低層流動床（LFR）のモデリングとLFR内での物質生成に関する様々な研究が行われてきました。例えば、LFRにおける単層カーボンナノチューブの生成が研究されました。[4]また、層流反応器におけるメタンから高級炭化水素への変換も研究されています。[5]

参照

参考文献

  1. ^ ab LEE, JC; RA YETTER; FL DRYER; AG TOMBOULIDES; SA ORSZAG (2007年10月24日). 「層流反応器のシミュレーションと解析」.燃焼科学技術. 159 (1): 199– 212. doi :10.1080/00102200008935783.
  2. ^ Fogler, HS「化学反応工学の要素」ミシガン大学工学部。2012年2月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年2月5日閲覧。
  3. ^ AboGhander, NS「化学反応工学実験：等温層流反応器」（PDF） .キング・ファハド石油鉱物大学化学工学部、ダーラン31261、サウジアラビア. 2012年2月5日閲覧。
  4. ^ Moisala, Anna; Nasibulin, Albert G.; Brown, David P.; Jiang, Hua; Khriachtchev, Leonid; Kauppinen, Esko I. (2006). 「層流反応器におけるフェロセンと鉄ペンタカルボニルを用いた単層カーボンナノチューブ合成」. Chemical Engineering Science . 61 (13): 4393– 4402. Bibcode :2006ChEnS..61.4393M. doi :10.1016/j.ces.2006.02.020. ISSN  0009-2509.
  5. ^ Skjøth-Rasmussen, MS; P Glarborg; M Østberg; JT Johannessen; H Livbjerg; AD Jensen; TS Christensen (2004年1月). 「層流反応器におけるメタンの燃料過濃酸化における多環芳香族炭化水素および煤の形成」.燃焼と炎. 136 ( 1–2 ): 91– 128.書誌コード:2004CoFl..136...91S. doi :10.1016/j.combustflame.2003.09.011.
  • https://www.youtube.com/watch?v=VOemsoVSPWI (利用不可)
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