現象論的ダイナミックスの設計論への導入に関する研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12355031
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 片岡 邦夫 神戸大学, 工学部, 教授 (20031081)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平田 雄志 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90029512) ; 堤 敦司 東京大学, 工学系研究科, 助教授 (00188591) ; 黒田 千秋 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (80114867) ; 土屋 活美 徳島大学, 工学部, 助教授 (00227430) ; 亀山 秀雄 東京農工大学, 工学部, 教授 (10114448)
• Keywords: 化学工学設計論 / 非線形ダイナミックス / ニューラルネットワーク / バーチャルリアクター / 混合特性 / 混相流 / 動的反応操作 / 乳化重合

Research Abstract

本研究の最終年度に当たり、非線形ダイナミックスを内包する複雑系化学プロセスを流体の混合場で実現するシステム(化学装置)とオペレーション、コントロールの設計法と実際について各グループA〜Gで手分けして研究を実施した.
A:複雑系化学プロセスとして酢酸ビニルの乳化重合を取り上げ,システムとして撹拌混合反応装置を採用して回分操作と連続操作による反応速度(重合率)、ラテックス粒子の粒度分布の時間変動ダイナミックスを観察した。機能制御に関係する粒度分布の制御,分子量分布の制御の可能性を例示し、粒子成長過程の析出凝集プロセスのメカニズムを解明した。また、非線形ダイナミックスの特徴である流動形態の遷移特性である分岐性、履歴性に留意して、共軸回転円錐流動装置、衝突噴流装置,往復振動混合装置の反応場の混合特性のデータ蓄積を行った.
B:革新的な化学プロセス強化を目指し,重合反応など多様な化学プロセスを対象に、化学プロセス・ダイナミックスのモデリングの研究を知的ネットワークシステム(各種ニューラル・ネットワーク)を応用して行った.また、遺伝アルゴリズムで最適化したニューラル・ネットワークによる設計法や反応装置の動的挙動のシミュレーション法などを提案した.
C:混相流反応装置の新しい設計・スケールアップ法の観点から、局所の物理量の変動の実際のデータの蓄積によるデータベースの構築をし、逆にこのデータベースからニューラルネットワークにより設計条件に適した諸特性の時系列データを得る方法を考案した。また、マクロな流動構造をCFDシミュレーションにより得て,これにミクロ構造の時系列データベースを重畳させるバーチャルリアクターの設計法を提案した。
D:流体の混合現象を非線形性ダイナミックスの観点からモデル化し、新しい混合装置の開発を目指した研究を展開した.省エネルギー型の混合効果が高い往復振動式混合器の混合モデルの構築と直接数値シミュレーションを行った。通常の撹拌式混合器について流れ全領域に亘る局所速度成分の時系列データをLDVにより計測して、ヴァーチャルリアクター設計に役立つデータベースを作った.
E:化学振動を伴う複雑系化学反応のモデル化、内部熱交換蒸留塔の設計と操作、高分子膜の移動現象等々,実際的なプロセスのダイナミックスの実験とモデル解析を行った。蒸留塔の実用化へのモデルプラントの設計のステップに入った.
F:化学反応の動的操作による反応促進と触媒活性に関する実験とモデル解析を行って、次の実用化のための実験のステップに入った.
G:気液接触反応プロセスの動的設計を目指して、気泡のダイナミックスの可視化観測技術の開発と物質拡散の定量化、気泡計測の信頼性評価に関する実験的研究を行って、ファイバープローブによる可視化解析および信頼性評価法を考案した.

Research Products

• [Publications] M.N.Noui-Mehidi, N.Ohmura, K.Kataoka: "Numerical Computation of Apex Angle Effects on Taylor Vortices in Rotating Conical Cylinders Systems"Journal of Chemical Engineering of Japan. 35-1. 22-31 (2002)
• [Publications] K.Kataoka, N.Ohmura, S.Kurimoto: "Instability and Bifurcation of Flow Patterns Around a Rotating Disk Housed in a Narrow Cylindrical Enclosure"AIDIC Conference Series, Editoriale Elsevier, ed. by S. Pierucci. Vol.5. 175-182 (2002)
• [Publications] M.N.Noui-Mehidi, N.Ohmura, K.Kataoka: "Mechanism of Mode Selection for Taylor Vortex Flow Between Coaxial Conical Rotating Cylinders"Journal of Fluids and Structures, Academic Press. 16-2. 247-262 (2002)
• [Publications] N.Kataoka, N.Ohmura, T.Yano, S.Matsuzaki: "Effect of Nonlinear Coupling Between Transport and Reaction Dynamics in Polymerization Processes"Progress in Transport Phenomena, ed. By S. Dost et al., Elsevier, Paris(Proc. 13^<th> Int. Symp. On Transport Phenomena). 491-496 (2002)
• [Publications] K.Kataoka, J-X.Zheng, T.Yoshimura, N.Ohmura: "Dynamics of a Bump of the Gas-Liquid Interface on Which a Submerged Liquid Jet Impinges"Proceeding of 12^<th> Int. Heat Transfer Conf., Aug. 18-23, Grenoble, France. 09-Fourier-12(CD-ROM). (2002)
• [Publications] N.Kataoka, T.Ochi, K.Uyama, N Ohmura: "Time-Dependent Structures of a Two-Dimensional Turbulent Impinging Jet Accompanied by Longitudinal Vortex Paris"Proceeding of 9^<th> APCChE Congress and CHEMECA 2002, Sep.29-Oct.3, Christchurch, New Zealand. (CD-ROM). (2002)
• [Publications] K.Kataoka: "Design Methodology of Chemical Process Systems Considering Nonlinear Dynamics"Theoretical and Applied Mechanics(Proc. 15^<th> Japan National Congress on Theoretical and Applied Mechanics 2002). Vol.51. 70-78 (2002)
• [Publications] C.Kuroda, J-Y Kim: "Neural Network Modeling of Temperature Behavior in an Exothermic Polymerization Process"Neurocomputing. 43. 77-89 (2002)
• [Publications] M.Abe, H.Matsumoto, C.Kuroda: "An Artificial Neural Network Optimized by a Genetic Algorithm for Real-time Flow-shop Rescheduling"International J. of Knowledge-based Intelligent Engineering Systems. 6-2. 96-103 (2002)
• [Publications] H.Matsumoto, C.Kuroda: "Numerical Simulation of Dynamic Behavior in a Reactor using a Hybrid Model"Theoretical and Applied Mechanics Japan. 51. 301-306 (2002)
• [Publications] K.Otawara, L.T.Fan, A.Tsutsumi, T.Yano, K.Kuramoto, K.Yoshida: "An Artificial Neural Network as a Model for Chaotic Behavior of a Three-phase Fluidized Bed"Chaos, Soliton and Fractals. 13. 353-362 (2002)
• [Publications] 堤 敦司: "流動層・多相系反応器のカオス流動特性"機械の研究. 54(1). 69-76 (2002)
• [Publications] 堤 敦司, 松田聡, 幡野博之: "ナノ粒子の流動化"混相流. 16(1). 19-24 (2002)
• [Publications] 井上義朗, 北條優美, 平田雄志: "離散写像法に基く反応・拡散を伴う流体混合系の計算モデル"化学工学論文集. 29-1. 87-93 (2003)
• [Publications] T.Amemiya, T.Yamamoto, T.Ohmori, T.Yamaguchi: "Experimental and Model Studies of Oscillations, Photoinduced Transitions, and Steady States in Ru(bpy)_3^<2+> -Catalyzed Belousov-Zhabotinsky Reaction under Different Solute Compositions"J. Phys. Chem.. A106-4. 612-620 (2002)
• [Publications] Y.H.Kim, M.Nakaiwa, K.S.Hwang: "Approximate Design of Fully Thermally Coupled Distillation Columns"Korean J. Chem. Eng.. 19-3. 383-390 (2002)
• [Publications] T.Miyata, A.Endo, T.Ohmori, M.Nakaiwa, M.Kendo, K.Kurumada, M.Tanigaki: "Brownian Dynamics Simulation Study of Self-Diffusion of a Charged Particle in Swollen Counter-Charged Hydrogel Modeled as Cubic Lattice"J. Chem. Eng. Japan. 35-7. 640-648 (2002)
• [Publications] M.Nakaiwa, K.Huang, A.Endo, T.Ohmori, T.Akiya, T.Takamatsu: "Applying Heat-Pump Principle to Distillation Column : The Creation of an Ideal HIDIC"Proc. 7^<th> Int. Energy Agency Heat Pump Conference. 2. 650-659 (2002)
• [Publications] M.Nakaiwa, K.Huang, A.Endo, T.Ohmori, T.Akiya, T.Takamatsu: "Thermodynamic Interpretation of the Design and Operation of an Ideal Heat-Integrated Distillation Column"Proc. 15^<th> Int. Congress of Chemical and Process Engineering(CHISA2002). C4.4 (2002)
• [Publications] S.Y.Kim, T.Kanamori, T.Shinbo: "Preparation of Thermal-Responsive Poly(propylene) Membranes Grafted with N-isopropylacrylamide by Plasma-Induced Polymerization and Their Water Permeation"J. Appl. Polym. Sci.. 84. 1168-1177 (2002)
• [Publications] S.P.Kusumacahyo, T.Kanamori, T.Iwatsubo, K.Sumaru, T.Shinbo: "Development of Polyion Complex Membranes Based on Cellulose Acetate Modified by Oxygen Plasma Treatment for Pervaporation"J. Membr. Sci.. 208. 223-231 (2002)