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液液スラグ流 / フローリアクター / 微粒子 / スラグ流 / 液液スラグ

本研究では液液スラグフローリアクターによる微粒子およびゲルカプセル連続製造プロセスの開発を目指す。互いに不溶な二液体が管内を交互に流れる液液スラグ流は、内部循環流の形成によるスラグ内部の混合促進効果が得られるため液液抽出、化学反応、粒子合成など様々な応用が検討されており、本研究でも液液スラグ流を利用した連続的なものづくりを行う。
今年度はまず装置形状や操作条件が分散相スラグ形状に及ぼす影響を検討した。既往の研究において使用する液体の粘度や界面張力がスラグ長さに及ぼす影響は多数報告されており、本研究で実施した実験においてもほぼ同様の結果が得られた。しかし、同一形状でも壁面の材質が異なる場合に分散相スラグ形状が変化することが明らかになった。材質の影響については次年度以降に定量的なモデル化を行う予定である。
また、二流体の片方を反応液、他方を不活性液としてスラグ流を形成させ、シリカ粒子合成反応を行った。反応液のみを管内に単相流として供給した場合と比べてスラグ流ではCV値が小さく、シャープな生成粒子径分布を達成可能であることが示された。単相流と比べた場合の優位性は示されたものの、内径1mmの円管を用い平均滞留時間を3分間から5分間の範囲で行った今年度の実験条件の範囲では、操作条件の変化による平均粒子径やCV値の顕著な変化は見られなかった。この原因を考察するため分散相スラグ内流速分布のPIV解析を行った結果、用いた実験条件の範囲では形成される内部循環流のサイズに大きな違いがないことがわかった。
さらに、分散相スラグそのものをゲル化させカプセル材料を連続製造する応用については反応系を選定し、温度条件等の予備検討を開始した。

液液スラグ流 / 粒子合成 / PIV解析 / フローリアクター / 界面 / 循環流 / スラグ流 / 液液スラグ / 微粒子 / 連続合成 / 圧力損失 / 微粒子合成

本研究では液液スラグ流の内部循環流による撹拌効果を利用し、生成粒子径分布の制御が可能な微粒子連続合成プロセスを開発するため、ミリスケールの円管内に形成させた液液スラグ流について分散相スラグの形状予測式ならびに圧力損失推算式の推算式を提案した。また、シリカ微粒子の合成実験を行い通常の管型反応器と比較したスラグ流の優位性を示した。さらにスラグ内部循環流の流速分布を解析し、循環流サイズの増大や循環周波数増大のための条件を明らかにした。これら基礎的知見は種々の化学反応や抽出など液液スラグ流利用プロセスの設計に有用であり、医薬品や化学品などの精密合成のためのフローリアクター開発に貢献すると期待される。

本研究では、これまで矩形断面を持つマイクロ流路での研究が多かった液液スラグ流の流動に関する基礎的知見について、化学合成プロセスへの実用化のためミリスケール円管での流動可視化と圧力損失の測定を行った。操作条件や液物性からスラグの形状や圧力損失などプロセスの設計に必要な情報を得るための推算式を提案した。また、これまで実験による直接的な解析例がほとんどなかったスラグ内部循環流について可視化実験に基づき流速分布を明らかにし、内部混合を促進するための条件を明らかにした。以上の知見は、本研究で対象とした粒子合成だけでなく、晶析、抽出など液液スラグ流を利用した高効率なプロセスの設計に役立つと考えられる。