ナノ粒子合成プロセス （流通式反応器） 混合状態 平均粒子径及び分布 の変化 ・速度分布 ・温度分布 ・濃度分布 ・過飽和度分布

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1 ナノ粒子合成プロセス （流通式反応器） 混合状態 平均粒子径及び分布 の変化 ・速度分布 ・温度分布 ・濃度分布 ・過飽和度分布
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 　・過飽和度分布 平均粒子径及び分布 の変化 Tc = 374℃， Pc = 22 MPa 超臨界状態 Heater Metal Salt Solution Pump Distilled Water Reactor in-line filter PG TC Cooling 金属イオン (573K) (673K) crystals Subcritical Supercritical 粒子 Intermediates 核発生、成長が徐々に進行 高い核発生速度 Reaction Zone ・反応が極めて高速 ・溶解度が極めて低い || 高過飽和状態 流通式反応器による超臨界水熱合成 （急速昇温） T. Adschiri et al., J. American Ceramic Society, 75, 1019 (1992) 3

2 研究目的 実際の装置内の混合状態を知りたい 超臨界水熱合成プロセス
Metal Salt Solution Pump Distilled Water Heater Reactor in-line filter PG TC Reaction Zone Cooling 超臨界状態 中性子ラジオグラフィを利用することにより、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）と超臨界水との流動及び混合状態のin-situ観察を行い、温度・圧力条件や反応器幾何学形状と混合状態との相関を明らかにする。 超臨界水熱合成プロセス T. Adschiri et al., J. American Ceramic Society, 75, 1019 (1992) 4

3 水の密度の温度・圧力依存性 200 300 400 500 Temperature [℃] 600 800 1000
600 800 1000 Density [kg/m3] 25 MPa 30 MPa 35 MPa Tc = 374℃，Pc = 22 MPa 25 NIST Databaseより

4 実験装置 SUS 316 1/4- & 1/8-inch tube

5 実験条件 超臨界水 温度 [℃] 流量 [g/min] 常温水 385 8 4 393 12 1.5 380 超臨界水 常温水
Run No. 超臨界水 温度 [℃] 流量 [g/min] 常温水 1 385 8 2 3 4 393 12 1.5 5 6 7 380 超臨界水 常温水 1/8 inch 圧力：25 MPa

6 中性子透過像① 1.0 2.0 4.0 超臨界水流量 QSC = 8.0 g/min TSC = 385℃ TRT = 21℃
常温水 1.0 2.0 4.0 QRT / g･min-1

7 中性子透過像② 1.5 3.0 6.0 超臨界水流量 QSC = 12.0 g/min TSC = 393℃ TRT = 21℃
常温水 1.5 3.0 6.0 QRT / g･min-1

8 流路内の密度分布（軸方向） 常温水 超臨界水 超臨界水流量 QSC = 12.0 g/min QSC = 8.0 g/min 200 400
200 400 600 800 1000 Density [kg/m3] 常温水 超臨界水 超臨界水流量 QSC = 12.0 g/min QSC = 8.0 g/min QRT = 1 g/min 2 g/min 4 g/min 常温水流量 = 6 g/min 3 g/min 1.5 g/min

9 流路内の密度分布（半径方向） 超臨界水 常温水 1000 QSC = 8.0 g/min QSC = 12.0 g/min 800 QRT
管半径方向 200 400 600 800 1000 Density [kg/m3] QSC = 8.0 g/min QSC = 12.0 g/min QRT = 4 g/min 2 g/min 1 g/min = 6 g/min 3 g/min 1.5 g/min 常温水 超臨界水

10 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 ANSYS FLUENT 660 K( 387℃), 8 g/min 管外壁面：断熱 294 K(21℃), 2 g/min Element : 341,572

11 数値シミュレーション（水密度分布，温度分布）
超臨界水 常温水 中性子透過像 密度分布 温度分布 [kg/m3] [K] (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

12 ナノ粒子合成 混合の状況は生成物に大きな影響を与える ! 金属酸化物ナノ粒子の水熱合成 混合方法の影響 ZnO
Heater Heater Cooler Pressure valve Metal oxide nanoparticles Metal ion solution Water 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 !

13 超臨界水による超重質油分解プロセス 分解 精製 軽質留分 軽油 減圧軽油 充填塔反応器 超臨界水 超臨界水/超重質油の接触混合状態を把握
軽質留分 軽油 減圧軽油 分解 精製 超臨界水 オイルサンド 超重質油（ビチュメン） 充填塔反応器 Heavy oil Super- critical water 超臨界水/超重質油の接触混合状態を把握 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

14 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 （充填塔：バッチ型）
電源 加熱用ヒータ バルブ 圧力ゲージ 逃し弁 捕集容器 超重質油 断熱材 水 （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 中性子線 イメージ・インテンシファイア 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 実　験

15 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 t t+10 s 200℃ 240℃ 中性子ラジオグラフィによる可視化結果 t+240 s t+320 s t+400 s t+20 s t+30 s

16 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in-situ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。