Transcript 中性子ラジオグラフィを利用した超臨界水反応場のin

ナノ粒子合成プロセス （流通式反応器）
混合状態
・速度分布
・温度分布
・濃度分布
Tc = 374℃，
Pc = 22 MPa
超臨界状態
TC
PG
Reactor
平均粒子径及び分布
の変化
・過飽和度分布
Heater
核発生、成長が徐々に進行
Intermediates
crystals
Reaction
Zone
TC
Subcritical
(573K)
Cooling
Pump
in-line
filter
金属イオン
・反応が極めて高速
Distilled Water
・溶解度が極めて低い
流通式反応器による超臨界水熱合成
||
高過飽和状態
（急速昇温）
粒子
crystals
Metal Salt Solution
Supercritical
(673K)
高い核発生速度
T. Adschiri et al., J. American Ceramic Society, 75, 1019 (1992)
研究目的
実際の装置内の混合状態
を知りたい
超臨界状態 Heater
TC
PG
Reactor
Reaction
Zone
用することにより、SUS製の
管状反応器内の混合部にお
ける原料（金属塩水溶液）
TC
Cooling
Pump
中性子ラジオグラフィを利
と超臨界水との流動及び混
in-line
filter
合状態のin-situ観察を行い、
温度・圧力条件や反応器幾
Metal Salt Solution
Distilled Water
超臨界水熱合成プロセス
何学形状と混合状態との相
関を明らかにする。
T. Adschiri et al., J. American Ceramic Society, 75, 1019 (1992)
水の密度の温度・圧力依存性
1000
Tc = 374℃，Pc = 22 MPa
Density [kg/m3]
800
600
400
35 MPa
200
30 MPa
25 MPa
0
25
200
300
400
500
Temperature [℃]
NIST Databaseより
実験装置
SUS 316
1/4- & 1/8-inch tube
実験条件
超臨界水
常温水
1/8 inch
圧力：25 MPa
Run
No.
超臨界水
温度 [℃]
超臨界水
常温水
流量 [g/min] 流量 [g/min]
1
385
8
1
2
385
8
2
3
385
8
4
4
393
12
1.5
5
393
12
3
6
393
12
6
7
380
6
1.5
中性子透過像①
超臨界水流量 QSC = 8.0 g/min
TSC = 385℃ TRT = 21℃
8.0 g/min
超臨界水
常温水
1.0
QRT / g･min-1
2.0
4.0
中性子透過像②
超臨界水流量 QSC = 12.0 g/min
TSC = 393℃ TRT = 21℃
12.0 g/min
超臨界水
常温水
1.5
QRT / g･min-1
3.0
6.0
流路内の密度分布（軸方向）
超臨界水流量
超臨界水
QSC = 12.0 g/min
QSC = 8.0 g/min
常温水流量
QRT
= 1 g/min
0
200
常温水
2 g/min
3 g/min
4 g/min
400 600 800 1000
Density [kg/m3]
1.5 g/min
0
200
QRT
= 6 g/min
400 600 800 1000
Density [kg/m3]
流路内の密度分布（半径方向）
1000
1000
QSC = 8.0 g/min
Density [kg/m3]
800
QSC = 12.0 g/min
800
QRT
= 4 g/min
600
3 g/min
600
2 g/min
400
1 g/min
400
QRT
= 6 g/min
1.5 g/min
200
200
0
0
管半径方向
管半径方向
超臨界水
常温水
数値シミュレーション（格子分割，境界条件）
汎用熱流体解析ソフトウェア
660 K( 387℃), 8 g/min
ANSYS FLUENT
管外壁面：断熱
294 K(21℃), 2 g/min
Element : 341,572
数値シミュレーション（水密度分布，温度分布）
超臨界水
[kg/m3]
[K]
常温水
中性子透過像
密度分布
温度分布
(1/8インチ管)
FLUENTによる数値シミュレーション結果
中性子ラジオグラフィによる可視化結果と数値
シミュレーション結果の比較
ナノ粒子合成
金属酸化物ナノ粒子の水熱合成
Heater
Heater
Cooler
混合方法の影響
ZnO
Pressure
valve
Water
Metal ion
solution
Metal oxide
nanoparticles
Plug-flow reactor
T. Adschiri, et al., in Materials Chemistry in
Supercritical Fluids, Research Signpost, 79–97 (2005)
混合の状況は生成物に大きな影響を与える !
超臨界水による超重質油分解プロセス
http://www.pecj.or.jp/english/index_e.html
分
解
オイルサンド
超重質油（ビチュメン）
充填塔反応器
Heavy oil
超臨界水/超重質油の
接触混合状態を把握
精
製
軽質留分
軽油
減圧軽油
超臨界水
Supercritical
water
• FLUENT(VOF法)による
数値シミュレーション
• 中性子ラジオグラフィに
よる直接観察
Residue
Products
充填塔反応器内の流動状態の可視化実験法
圧力ゲージ
逃し弁
バルブ
捕集容器
超重質油
中性子線
加熱用
ヒータ
電源
イメージ・イン
テンシファイ
ア
水
断熱材
（充填塔：バッチ型）
塔径 : ½ inch (SUS製)
塔長 : 約 200 mm
球形充填材の径: 3 mm
充填材: Al2O3
実 験
水蒸気雰囲気下にある充填塔内を流
下する超重質油（ビチュメン）の挙動を、
側面から中性子ラジオグラフィにより観
察する。
（実験条件） 温度 ： ～300℃
圧力 ： ～8.5 MPa
充填塔反応器内の流動状態の可視化実験結果
t
t+80 s
t+160 s
200℃
t+240 s
t+320 s
t+400 s
t
t+10 s
t+20 s
t+30 s
240℃
中性子ラジオグラフィに
よる可視化結果
結 言
• 中性子ラジオグラフィにより，超臨界水熱合成反
応器（流通式反応器）内の流動・混合状態のinsitu観察を行い，数値シミュレーション結果と比較
した。
• 中性子ラジオグラフィにより，超重質油接触分解
反応器（充填塔反応器）内の流動状態のin-situ観
察の可能性を示すことが出来た。