層流反応器

層流反応器（LFR ）は、層流を使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、一定の温度に保たれた一定の直径を持つ長いチューブです。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され、監視されます。 ^{[1]層流反応器は、孤立した}素反応または多段階の反応メカニズムを研究するためによく使用されます。

概要

層流反応器は、層流の特性を利用してさまざまな研究目的を達成します。たとえば、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 1 つは、反応物の投入点と製品/サンプルの採取点の間の距離を変更するか、ガス/流体の速度を調整することによって、反応器内の化学物質の滞留時間 (化学物質が反応器内にとどまる時間間隔) を変更できることです。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じて簡単に制御および調整できることです。

LFRにおける反応物の分析方法

反応を分析する手段には、反応器内に入るプローブの使用が含まれますが、より正確には、非侵入型の光学的方法（例えば、分光計を使用して内容物を識別および分析する）を利用して反応器内の反応を調べることもできます。さらに、反応器の端にあるガス/流体のサンプル全体を採取してデータを収集することも有用です。^{[1]上記の方法を使用して、}濃度、流速などのさまざまなデータを監視および分析できます。

LFRの流速

速度が制御された流体またはガスは、層流として層流反応器を通過します。つまり、流体またはガスの流れは、カードのように互いに滑ります。同じ粘度(「厚さ」または「粘着性」) を持ちながら速度が異なる流体を分析する場合、流体は通常、層流と乱流の 2 種類の流れに分類されます。乱流と比較すると、層流は速度が低くなる傾向があり、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、より高速で移動します。したがって、 1 つの断面における乱流の流速は、一定、つまり「平坦」であると見なされることがよくあります。層流の「平坦でない」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減少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。したがって、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 に送り込まれ、流体の濃度が出口で監視されているとします。滞留時間分布のグラフは、正の凹面を伴う負の傾斜のようになります。グラフは、がより小さい場合、が以上の場合の関数によってモデル化されます。^[2]グラフの値が最初はゼロであることに注意してください。これは、物質が反応器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、濃度が急激に増加し、時間の経過とともに徐々に減少します。 $E(t)=0$ $t$ $\tau /2$ $E(t)=(\tau^{2}/2)t^{3}$ $t$ $\tau /2$ $E(t)$

特徴

LFR内の層流は、互いに邪魔することなく平行に流れるというユニークな特徴があります。流体またはガスの速度は、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。したがって、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]言い換えれば、層流が重要でない他の反応器、たとえばプラグフロー反応器では、流れがほとんど乱流であるため、物体の速度は1つの断面で同じであると想定されます。層流反応器では、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、反応器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、LFRのモデリングとLFR内での物質の形成に関するさまざまな研究が行われてきました。たとえば、LFRでの単層カーボンナノチューブの形成が調査されました。^[4]別の例として、層流反応器でのメタンから高級炭化水素への変換が研究されました。^[5]

参照

参考文献

^ 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分析」.燃焼科学技術. 159 (1): 199–212. doi :10.1080/00102200008935783.
^ 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。
^ AboGhander, NS「化学反応工学実験室実験: 等温層流反応器」(PDF)。化学工学部、キング・ファハド石油鉱物大学、ダーラン 31261、サウジアラビア。2012年2 月 5 日閲覧。
^ Moisala, Anna; Nasibulin, Albert G.; Brown, David P.; Jiang, Hua; Khriachtchev, Leonid; Kauppinen, Esko I. (2006). 「層流反応器でフェロセンと鉄ペンタカルボニルを使用した単層カーボンナノチューブ合成」.化学工学科学. 61 (13): 4393–4402. Bibcode :2006ChEnS..61.4393M. doi :10.1016/j.ces.2006.02.020. ISSN 0009-2509.
^ Skjøth-Rasmussen, MS; P Glarborg; M Østberg; JT Johannessen; H Livbjerg; AD Jensen; TS Christensen (2004 年 1 月)。「層流反応器でのメタンの燃料過多酸化における多環芳香族炭化水素と煤の形成」。燃焼と炎。136 ( 1–2): 91–128。Bibcode :2004CoFl..136...91S。doi :10.1016/j.combustflame.2003.09.011 。

外部リンク

https://www.youtube.com/watch?v=VOemsoVSPWI

[S&A_for_LFR-1] 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分析」.燃焼科学技術. 159 (1): 199–212. doi :10.1080/00102200008935783.

[UMich-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「化学反応工学実験室実験: 等温層流反応器」(PDF)。化学工学部、キング・ファハド石油鉱物大学、ダーラン 31261、サウジアラビア。2012年2 月 5 日閲覧。

[ChemES-4] Moisala, Anna; Nasibulin, Albert G.; Brown, David P.; Jiang, Hua; Khriachtchev, Leonid; Kauppinen, Esko I. (2006). 「層流反応器でフェロセンと鉄ペンタカルボニルを使用した単層カーボンナノチューブ合成」.化学工学科学. 61 (13): 4393–4402. Bibcode :2006ChEnS..61.4393M. doi :10.1016/j.ces.2006.02.020. ISSN 0009-2509.

[Combustion-5] Skjøth-Rasmussen, MS; P Glarborg; M Østberg; JT Johannessen; H Livbjerg; AD Jensen; TS Christensen (2004 年 1 月)。「層流反応器でのメタンの燃料過多酸化における多環芳香族炭化水素と煤の形成」。燃焼と炎。136 ( 1–2): 91–128。Bibcode :2004CoFl..136...91S。doi :10.1016/j.combustflame.2003.09.011 。