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X 

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S c _L ^l/2の関係 (α D L/ j _L c) 

Xと 図5.13

‑84^苧

ここで図5.13(a )，( b)中の直線は，次式で与えられる.

(αD L / j L c ) 

S c  

L 1/ 2 

=  5 . 0  

^x 

1 0   ‑

³ 

X  ‑

1.9 

(5.13 ) 

ヌ15.13か ら 明 ら か な よ う に ， 本 実 測 値 とAisaらの実測値が，式(5.13)と+40

%程度に一致している. したがってこの方法は， Aisaらの実測値のような膜 字が比較的厚い領域から，本実測値のように膜厚がきわめて薄い領域まで，

広 い 範 囲 で 適 用 可 能 で あ る と い え る . 式(5.13)を 用 い れ ば ， 気 相 と 液 相 の 流 量だけで a_DLが算定できるので，簡便に a_DLの予測を行うことができる.

3.4  第5市のまとめ

本 章 で は ， 気 流 に 伴 わ れ る 液 膜 流 へ の二般化炭素吸収実験の結果から，

S J ' ‑

均 物 質 伝 達 係 数 a_DLを算定し，その予測法について実験的および理論的に検討 した.おもな成果は以下のとおりである.

(1 ) 液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 に お い て ， 局 所 物 質 伝 達 係 数 は 物 質 伝 達 開 始 点 で 最大伎をとり，下流ヘ行くにしたがい減少し，十分発達すると一定値になる.

し た が っ て ， ど の 区 間 で 平 均 物 質 伝 達 係 数 を 算 定 す る か が 重 要 で あ る . こ れ ま で の 研 究 で は こ の こ と に 言 及 し た も の は な い が ， 本 章 で は ほ ぼ 十 分 発 達 し た領域のデータを用いて平均値を算定した.

(2)  第3章 お よ び 第 4章で提案した理論モデルを用いて数値解析することに より， +30%程度に aD Lが予測できる.

(3)  液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 を 評 価 す る パ ラ メ ー タ と し て ， 液 体 の 使 用 効 率 を 考慮に入れて，単位液相流量当たりの平均物質伝達係数を提案した.

(4)  液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 に お け る 平 均 物 質 伝 達 係 数 の 整 理 式 と し て ， 式 (5.13)を得た.それにより +40%程 度 の 精 度 で 平 均 物 質 伝 達 係 数 を 予 測 で き る.式(5.13)は気液両相の流量のみでただちに定まるので簡便である.

第6章 結 論

第5章 ま で に ， ガ ス 吸 収 装 置 等 の 工 業 装 置 の 最 適 設 計 の 問 題 と 関 連 し て き わ

めて重要な，せ ん 断 界 面 を 介 し て の 液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 に つ い て 検 討 し て き た.それらを総括すると，次のようになる.

第 1章 で は ， 気 流 に 伴 わ れ る 液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 に 対 し て ， 物 質 伝 達 の 理 論

モデ、ルについての研究，平均物質伝達係数の実験的な整理方法についての研 究 ， な ら び に 被 膜 流 の 流 動 特 性 に 関 す る 研 究 に つ い て，従 来 の 研 究 の 概 略 を 述 べ る と と も に ， 問 題 点 を 指 摘 し ， そ れ ら を ふ ま え た 本 研 究 の 目 的 に つ い て 百及した.

第2章では，本実験で用いた実験装置やその方法， また測定した物理量や実 験条件の範聞について述べた.

第3章では，これまでの研究で対象とされているが，妥当な理論モデ、ルがな

い15m/ s以 下 の 低 気 流 速 域 に お い て ， ま ず 液 膜 流 の 流 動 と 物 質 伝 達 に つ い て 実 験 的 に 調 査 し た 結 果 を 示 し た . さ ら に ， 液 膜 流 の 流 れ 方 向 濃 度 変 化 の 実 測

値を理論的に予測する方法について検討した.その結果， 三通 り の 方 法 を 気 液 の 流 動 状 態 に よ り 使 い 分 け る こ と に よ り ， 液 膜 流 の 流 れ 方 向 濃 度 変 化 を 予 測 す る こ と が で き る こ と が 明 ら か と な っ た . 第一に ， 気 液 と も 層 流 で あ る 場 合，その仮定を持つ流動モデ、ルから得られる膜厚を用いて，液膜を層流とし

た 拡 散 方 程 式 を 解 く こ と に よ り ， 流 れ 方 向 濃 度 変 化 が 予 測 で き る . 第二に， 気 流 は 乱 流 で あ る が ， 気 液 界 面 波 が二次 元 波 で あ る 場 合 ， 膜 厚 は 第一の場ム の も の よ り 薄 く な る . そ の 場 合 は ， 界 市 せ ん 断 応 力 か ら 得 ら れ る 膜 厚 を 用 い れば，第一の場合と同様に，液膜を層流とした拡散方程式を解くことにより，

流 れ 方 向 濃 度 変 化 が 予 測 可 能 で あ る . 第三に ， 気 流 が 乱 流 で ， 気 液 界 面 波 が ベ ブ ル 波 や リ ッ プ ル で あ る 場 合 ， 液 膜 内 の 乱 れ を 考 慮 し た 拡 散 方 程 式 を 解 く 必 要 が あ る . そ の 場 合 ， 液 膜 内 の 乱 れ ， す な わ ち 液 膜 内 に 生 じ る 渦 運 動 を ， そ れ ら が 個 々 の 界 面 波 の 相 対 運 動 か ら 生 じ る と い う 観 点 か ら 考 慮 す る こ と に

より，流れ方向濃度変化が予測できる.

第4章では，従来なされていない， 20"'‑'80 m/ s程 度 の 高 速 気 流 に 伴 わ れ る 液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 に つ い て 検 討 し た . そ の 結 果 ， 液 膜 流 の 流 動 特 性 と 物 質 伝 達 特 性 に つ い て ， 次 の こ と が 明 ら か と な っ た . ま ず 流 動 特 性 に つ い て は ，

こ れ ま で 間 接 的 に 示 唆 さ れ て い た 液 膜 流 の 特 異 な 流 動 現 象 ， す な わ ち 被 膜 内 に は ， 粘 性 底 層 と 波 動 層 の 速 度 が 不 連 続 な二層 が あ る こ と を ， 膜 厚 測 定 用 の プ ロ ー プ の 出 力 電 圧 のi侍IHJ的 変 化 か ら 実 験 的 に 明 ら か に し た . さ ら に そ の二 層 の う ち ， 粘 性 底 層 は 界 面 せ ん 断 応 力 か ら 決 ま る 速 度 こ う 配 を 持 つ 直 線 的 な 速 度 分 布 を 持 ち ， そ の 厚 さ は 最 小 膜 厚 に 等 し い こ と ， 波 動 層 は一様な速度で，

そ の 厚 さ は 段 小 膜 厚 ， 界 面jせ ん 断 応 力 ， 界 而 速 度 ， 液 相 流 量 の 各 量 か ら 定 ま ることをIV]ら か に し た . 次 に 物 質 伝 達 特 性 に つ い て は ， 気 流 速 度 が15m/ s以 ドの場合よりも物質輸送が大きく促進されることを実験的にゆjらかにし，第3 章で提案した液膜流の流れ方向濃度変化の予測法の1ftで ， 液 膜 内 の 速 度 分 布

と 混 合 距 離 の 最 大 航 を 修 正 す れ ば ， 高 気 流 速 域 に 適 用 可 能 で あ る こ と を ゆjら かにした.

第5章 で は ， 液 膜 流 へ の 平 均 物 質 伝 達 係 数 の 予 測 法 に つ い て 検 討 し た . ま ず 第一に， こ れ ま で の 研 究 で は な さ れ て い な い 平 均 区 間 の 妥 当 性 に つ い て 検 討 し た . す な わ ち ， 液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 で は ， 物 質 伝 達 係 数 の 局 所 値 は 物 質 伝 達 開 始 点 で 最 大 値 を と り ， 下 流 に 行 く に し た が い 減 少 し ， じ ゅ う ぶ ん 下 流 で は一定 値 に な る . 本 論 文 で は ， こ の じ ゅ う ぶ ん 発 達 し た 領 域 内 で 平 均 物 質 伝 達 係 数 を 算 定 し た . 第二に ， 第3章 お よ び 第4章 で 述 べ た 物 質 伝 達 の 理 論 モ デ ルを用いた予測法について検討した.その方法により， ±30%程度の精度で，

平 均 物 質 伝 達 係 数 が 予 測 可 能 で あ る こ と が 明 ら か に な っ た . 第三に ， 平 均 物 質 伝 達 係 数 を ， 新 た な 観 点 か ら ， 実 験 的 に 整 理 す る と と に つ い て 検 討 し た . す な わ ち ， 液 膜 流 へ の 物 質 伝 達 に お い て は ラ 液 体 の 使 用 効 率 を 加 味 し た 物 質 伝 達 特 性 を 表 す 指 標 で あ る 単 杭 液 相 流 量 当 り の 物 質 伝 達 係 数 を 考 え る こ と が 要 で あ る と い う 観 点 か ら ， 平 均 物 質 伝 達 係 数 の 整 理 式 を 提 案 し た . こ の 整 理式により +40%程 度 の 精 度 で ， 平 均 物 質 伝 達 係 数 を 簡 便 に 予 測 で き る こ と が明らかとなった.

付 録 定電流法による液膜流の二酸化炭素濃度測定

A.1  緒一

1.2.3項 で 述 べ た よ う に ， 液 膜 流 へ の 二 酸 化 炭 素 の 物 質 伝 達 現 象 を 調 査 す る た め に は ， 液 膜 流 の二酸 化 炭 素 濃 度 を 知 る こ と が 不 可 欠 で あ る . 液 体 中 の二 酸 化 炭 素 の 測 定 器 に は ， 全 有 機 炭 素 計(25)や イ オ ン メ ー タ な ど が あ る が ， い ず れ に し て も 液 体 を サ ン プ ル す る 必 要 が あ る . 本 章 で は そ の 必 要 が な い ， 定 電 流法による二酸化炭素濃度の測定法について述べる.

図A.1は 次 の よ う な 定 性 的 な 実 験 を 行 っ た 結 果 で あ る . 図2.1に示す実験装 置において，流動条件を jG=15m/s， r=10x10‑⁵m²/sに設定し，体積流量比3

%のC O₂を負荷し始める前後，および負荷を止める前後の定電流プロープ(図2.6) の出力電圧の時間的変化を示したものである.図A.1から， C O₂を負荷すると出力 電圧が低ドすること，またその低下がわずか数秒で起こることがわかる.時間的に 一定の電流を印加しているので，この低下は液膜のコンダクタンスの増大によるも のである.本章では， このコンダクタンス変化から液体の二酸化炭素濃度を求める 方法について検討する.

A.2  測定原理

定 電 流 法 は ， 十 分 間 隔 を お い て 設 置 さ れ た 二 つ の 電 極 聞 に ， 時 間 的 に 変 化 しない一定 の 電 流 を 印 加 し ， そ の二つ の 印 加 電 極 間 に 別 に一対 の 測 定 用 電 極 を 設 置 し ， こ の 間 の 電 圧 降 下 か ら そ の 間 の 電 気 抵 抗 あ る い は 導 電 率 を 測 定 す る方法である. こ の 方 法 は 次 の よ う な 利 点 を 持 っ て い る . 測 定 用 電 極 上 の 液 膜 内 の 電 流 密 度 分 布 が 膜 厚 方 向 に 均ーで あ る た め ， 液 体 の 電 気 抵 抗 が 液 膜 厚 さ や 導 電 率 と 反 比 例 の 関 係 に あ る . ま た 定 電 圧 法 に 比 ベ ， 液 体 の 抵 抗 が 大 の と き に 出 力 電 圧 が 大 と な る の で ， 薄 い 液 膜 が 精 度 よ く 測 定 で き る . 本 章 で は

一つの例として長方形断面を持ったダクト内の下壁を液膜が気流に伴われて

‑88‑

二jG=15 m/s 

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似IA.2 液 体 の 導l立 本 の 測 定

流 動 す る 場 合 に つ い て ， 定 電 流 法 を 用 い た 液 体 の 導 電 率 の 測 定 と ， そ の導電 率と液体に合まれる二酸化炭素濃度の関係について述べる.

A.2.1  液 体 の 導 電 率 の 測 定

液 体 の 電 気 抵 抗Rは電極間の長さ sに 比 例 し ， 液 膜 の 断 面 積Aに 反 比 例 す るので次式で表すことができる.

s

一

A

i 一 Y

R 

(A.1) 

式(A.l)における yは一般 に 電 解 電 導 度 ， 伝 導 率 ， 比 伝 導 度 ， 導 電 率 な ど と さ まざまに呼ばれているが，本章では導電率と呼ぶ.

さて I~A.2 のように出力電極上に液膜が存在する状態で，液膜厚さ t ^fが既 知の航 t[0と な る よ う に 検 定 板 を 挿 入 し て 液 体 の み を 流 し た 場 合 ， 出 力 電 極 上 に あ る 液 体 の 電 気 抵 抗 を Rcとすれば，液膜の断面積AがB t fOに等しいの でヲその導電率 y。は次のように表すことができる.

s 

1 

Y o  = 

o  B 

t 

10 Rc  (A.2) 

この y。を初期導電率と呼ぶことにする.ここで R は 印 加 電 流 Iを 変 化 さ せ た と き の 電 極 間 の 出 力 電 圧 Eの 変 化 と の 関 係 を 示 す E ‑1直 線 の こ う 配 と し て求められる.

次 に 気 液 両 相 と も 流 動 し て お り ， 気 流 中 に二酸 化 炭 素 が 負 荷 さ れ て い な い 場 合 の 幅 方 向 ， 時 間 平 均 の 液 膜 厚 さ t[ mは ， 初 期 導 電 率 y0が 変 化 し な い と し て印加電流 Iの時の出力電圧が Eであるとすると，次式から得られる.

s 

1 

s 

1  Yo = 

o 

B t ! ⁰ 

R c  

B t 1111 

E 

ドキュメント内 気流に伴われて流動する液膜への物質伝達に関する 研究 (ページ 92-98)