2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of micro fluidized bed
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18K03961
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| Research Institution | Sasebo National College of Technology |
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Principal Investigator |
城野 祐生 佐世保工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (80353233)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長田 秀夫 佐世保工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (70221463)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 流動層 / マイクロリアクター / マイクロ流路 / 粒子 / 離散要素法 / DEM / 流動化特性 / 固定層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロ流動層の開発を目的として、初年度である本年度は『マイクロ流動層装置の製作』、『円筒型流動層を用いた流動化特性の測定』、『マイクロ流路の数値シミュレーション』、『DEM数値シミュレーションコードの開発』に取り組んだ。
『マイクロ流動層装置の製作』ではレーザーカッターおよび3Dプリンターで試作を行い、いずれの方法においてもある程度の精度でマイクロサイズの装置の製作が可能であることを確認した。ただし、高精度の装置を製作するためには製作方法の工夫や外注が必要であることが分かった。
『円筒型流動層を用いた流動化特性の測定』では、内径３、４、６mmのアクリル製流路に平均粒子径50μmのガラス粒子を充填した流動層を製作し、所有していたマイクロフィーダーに組み合わせることにより円筒型流動層の実験装置を準備した。流動化特性として流速に対する層高変化について内径の異なる装置で調べた。層高の変化は、内径の大きいラボスケールの特性と同様の傾向を示したが、流速が高くなると流動層の粒子の部分的な輸送を生じることが確認された。この原因として次のことが推測された。１つは層流流れでの速度分布が形成された影響を受けたということ。２つ目は粒度分布で小さい粒度の粒子が終末沈降速度の関係から浮上したということ。また、３つ目はそれらの複合的な影響。これについて調査するために、『マイクロ流路の数値シミュレーション』として流体計算ソフトウェア「PHOENICS」を用いた流れ解析、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いた粒度解析を実施し、これら結果の考察から上記で説明した２つの要因が複合的に影響したためであることが推察された。
さらに、『DEM数値シミュレーションコードの開発』として、これまで当研究室で実施してきたDEM数値シミュレーションコードをベースにマイクロ流動層の数値シミュレーションコードの開発を行った。
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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
科研費申請書における平成30年度の年次計画では『マイクロ流動層装置の製作』、『マイクロ流動層の数値シミュレーション』に取り組むことを計画した。
『マイクロ流動層装置の製作』では、マイクロ流動層の流動化特性の計測を行うための実験装置として、可視化用の矩形型流動層と円筒型流動層の設計製作を予定し、予定どおり本校所有のレーザーカッターおよび3Dプリンターで試作を行った。円筒型流動層については製作品で実験が十分に可能であったため、自主製作の装置で流動層の流動化特性の測定を行った。これらの流動化特性の測定は平成31年度に実施する計画であったが、装置製作が予想よりも進んだため前倒しで測定を進めた。また、この流動化特性の測定において粒子の飛び出し現象が観測されたため、これらの解析を行うために平成31年度に導入予定であったPIVシステムを今年度予算で前倒しして導入することとした。今年度導入予定であった外注での装置製作と数値解析用ワークステーションは次年度での導入に見送ることとした。予定していた内容よりも進んだため、導入品の予定を入れ替えた。
『マイクロ流動層の数値シミュレーション』では、流体計算ソフトウェア「PHOENICS」を用いた流れ解析を実施しマイクロ流路内の流速分布等を解析した。さらに、これまで当研究室で実施してきたDEM数値シミュレーションコードをベースにマイクロ流動層の数値シミュレーションコードの開発を進めた。開発は解析の試行を繰り返しながら進めていく必要があり、この解析に数値解析用ワークステーションを用いるが、現在のところ当研究室で所有しているワークステーションで代用できている。
上記のとおり、予定していた計画はおおむね実施できており、内容によっては予定よりも進めることができた。導入品の順序変更は計画が前倒しになったことが理由であるため、おおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度の年次計画として『マイクロ流動層の流動状態・流動特性の計測』、『数値シミュレーションによる流動状態の解析』に取り組む。『マイクロ流動層の流動状態・流動特性の計測』については平成30年度に前倒して実施し始めているが、継続して測定を行う。粒子の運動状態をPIVシステムで可視化計測し、同条件で実施する数値シミュレーションと比較検討する。円筒型流動層では粒子の運動追跡は難しくなるため、粒子濃度分布や層膨張等を数値シミュレーション結果と比較検討して流動状態を推定する。『数値シミュレーションによる流動状態の解析』については、現在開発中のDEMを用いたマイクロ流動層の数値シミュレーションコードの開発を進める。また、流体計算ソフトウェア「PHOENICS」を用いた二流体モデルによる流れ解析を実施し、解析結果および実験結果との比較検討を行っていく。さらに、研究分担者である長田と協力して反応率測定用実験装置の製作を進める。
平成32年度の年間計画 『マイクロ流動層を用いた反応率の測定』、『反応率測定用実験装置内の流動状態の数値シミュレーション』に取り組む。マイクロ流動層での流動条件に対する反応率の評価では、「固体酸触媒を用いた酢酸エチルの加水分解反応」「活性炭微粒子を用いた次亜塩素酸の分解反応」をモデル反応として予定している。マイクロ流動層前後の濃度をガスクロマトグラフ、SBT法－分光光度計により分析評価し、流動特性と反応率の関係について調査する。
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| Causes of Carryover |
流動化特性の測定は平成31年度に実施する計画であったが、装置製作が予想よりも進んだため前倒しで測定を進めた。また、この流動化特性の測定において粒子の飛び出し現象が観測されたため、これらの解析を行うために平成31年度に導入予定であったPIVシステムを今年度予算で前倒しして導入することとした。今年度導入予定であった外注での装置製作と数値解析用ワークステーションは次年度での導入に見送ることとした。予定していた内容よりも進んだため、導入品の予定を入れ替えた。以上が理由である。
次年度は予定を入れ替えた物品と元々の予定の使用計画で進めていく。
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