| Project/Area Number |
21K14082
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Matsue National College of Technology |
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Principal Investigator |
佐々木 翔平 松江工業高等専門学校, 機械工学科, 講師 (80877803)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2023: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
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| Keywords | 気泡塔型反応装置 / ガスホールドアップ / 均質気泡流 / 非均質気泡流 / 気相分散器形状 / 気泡塔形状 / ボイド率 / 気液二相流 |
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| Outline of Research at the Start |
環境負荷低減・原油代替品確保に貢献できる天然ガス液体燃料化技術(GTL)開発では，GTLプロセスが多様化し，GTL最適運転条件の探索が重要な技術課題となっている．課題解決には，気泡塔内流動様式(均質気泡流及び非均質気泡流)の形成と遷移の理解が必須となる．現在，気泡塔幾何学形状(塔幅・塔高・気相分散器形状)と流動様式との相関の把握ができておらず，運転条件の決定が困難となっている．本研究では，系統的な気泡塔内流動特性実験データベースを構築し，それを基に，気泡塔幾何学形状が塔内流動様式の形成と遷移に及ぼす影響をモデル化することで幾何学形状と流動様式との相関を総合的に評価できる運転指標を提唱する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
気泡塔型反応装置(気泡塔)は，塔型容器底部の気相分散器から気相を連続的に液相中に流入し，気泡群として液中に分散させることで気液間の化学反応を行わせる装置である．気泡塔は構造がシンプル，気液間の物質移動が良い，低ランニングコスト等の長所があり，様々な化学プロセス（天然ガス液化技術，排水処理技術）で利用されている．気泡塔型反応装置内の流れは気液二相多分散気泡流であり極めて複雑な流れとなる．気泡塔設計の基本的な幾何学形状パラメータである塔高さ・塔幅・気相分散器形状が塔内流動及びガスホールドアップに及ぼす影響に関する知見が不足しており，気泡塔のスケールアップ・スケールダウン設計が困難な状況にある．そこで本研究では，幾何学形状が気泡塔内流動に及ぼす影響を明らかにすることを目的として，①高精度且つ系統的ガスホールドアップ・流動特性実験データベースを構築，②流動の無次元数を用いたモデル化，③広範囲の操業条件に適用可能なガスホールドアップ相関式の構築，を実施する．幾何学形状パラメータには塔高さ，塔幅，気相分散器が挙げられる．2022年度までに塔高さ及び塔幅に関する実験は概ね完了し，塔高さの増加および塔幅の減少はガスホールドアップを減少させることがわかった．
2023年度では気相分散器形状の影響を明らかにすることを目的とし気泡塔実験を実施した．その結果，(1)気相分散器孔径の減少及び孔割合増加とともにガスホールドアップは増加する，(2)孔径が1 mm以下では均質気泡流から非均質気泡流への流動様式の遷移が生じる，(3)孔割合増加に伴い(2)の遷移は起こりやすい，(4)均質気泡流ではガスホールドアップの塔高さ依存性は小さい，(5)非均質気泡流ではガスホールドアップは塔高さに強く依存し塔高さ増加に伴いガスホールドアップは低下する，ことが明らかとなった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに塔高さ，塔幅，気相分散器形状，すなわち気泡塔幾何学形状を実験パラメータとするガスホールドアップの系統的な実験データベースを構築することができた．その実験データベースに基づき，幾何学形状パラメータが流動様式の形成と遷移に及ぼす影響は概ね把握することができた．従って，当初の研究目的に鑑みて，おおむね順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに塔高さ，塔幅，気相分散器形状，すなわち気泡塔幾何学形状を実験パラメータとするガスホールドアップの系統的な実験データベースを構築することができた．その実験データベースに基づき，幾何学形状パラメータが流動様式の形成と遷移に及ぼす影響は概ね把握することができた．最終年度は，データベースの高度化を行い，それに基づく，より詳細な流動把握を試みる．さらには，気泡塔設計で重要となる，ガスホールドアップ相関式の構築を試みる．最終的に研究成果を纏め，情報発信を実施していく予定である．
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