2014 Fiscal Year Research-status Report
工業晶析装置内の混相流と溶液状態に着目した現象モデルの開発
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25420108
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
三角 隆太 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40334635)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | Mixing / Crystallization / CFD / Crystal Attrition / Secondary Nucleation / Population Balance / Multi-phase flow / fine particle |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、工業的に汎用される晶析操作について、結晶製品の高度な品質予測・制御方法の構築を目指して、数値解析およびモデル実験を行った。平成26年度に得られた知見は以下の通りである。
１．粒子径および粒子密度を変えた場合の撹拌羽根に対する粒子の軌跡、衝突位置および衝突頻度を算出した。粒子は羽根前面の縁付近に集中して衝突し、流体への追随性が鈍くなると粒子は羽根へ衝突しやすくなる。羽根近傍の粒子濃度で規格化した衝突頻度はストークス数で整理できることがわかった。
２．撹拌羽根近傍の粒子の運動を観察することのできる回転同期・高速動画撮影システムを構築した。同システムにより約0.5 m/s の高速で回転する撹拌羽根近傍の粒径1 mm 程度の粒子を数フレームにわたって観察することができた。撹拌羽根への粒子の衝突現象を自作の画像処理プログラムで定量化し、その定量化した実験結果とCFD の結果を比較したところ、定量的に良好に一致したことから、CFD の信頼性を確認することができた。
３．カリ明礬の冷却晶析をモデルケースとしたPopulation Balance 解析において、大きな温度変化を伴う条件への対応について検討した。その結果、結晶成長モデルにおける表面集積速度係数にアレニウス型の温度依存性を組み込むことで、大きな温度変化を伴う条件においても、過飽和度の経時変化およびD10, D50の経時変化を良好に再現できることがわかった。
４．結晶が撹拌羽根に衝突する際の母結晶および微結晶のSEM撮影とその画像処理にもとづいて、摩耗現象を定量化する手法を構築した。摩耗微結晶個数および摩滅体積は、経時的に増加し、徐々に一定値に近づくことがわかった。母結晶において摩滅現象は結晶の角で起こることが確認され、撹拌時間とともに角は丸みを帯びていき、微結晶の生成速度は小さくなる。その程度は撹拌速度によらず、摩滅比率で相関されることがわかった。
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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
平成26年度は、撹拌羽根への結晶粒子の衝突現象の定量化と粒子特性の影響についての検討(実績概要の(a), (b)項)と、結晶成長速度の温度依存性(c)、および結晶摩耗量の定量化(d)について取り組んだ。
(a), (b)については、粒子径や粒子の比重が異なる場合の影響を整理し、国際会議(ISMIP8、２件)ならびに国内会議(化学工学会第46回秋季大会および、化学工学会第80年会)にて成果を発表した。さらに、実験的な検証を加えるために回転する撹拌羽根近傍での粒子の挙動を観察するための回転同期・高速撮影システムを開発し、国内会議(化学工学会第46回秋季大会)にて成果を発表した。
(c) については、カリミョウバンの種晶添加冷却晶析をモデルケースとして、溶液の過飽和度の経時変化を考慮したPopulation Balanceの解析手法を構築し、国際会議(ACTS2014)ならびに国内会議(化学工学会第46回秋季大気)で成果を発表した。
(d) 結晶が撹拌羽根に衝突する際の母結晶形状および微結晶生成量の経時変化をSEM撮影とその画像処理にもとづいて，定量化する手法を構築し、国内会議(日本海水学会若手会第6回学生研究発表会)にて成果を発表した。なお、この発表は同会において優秀賞を受賞した。
以上、当初の計画に従いおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25, 26年度に引き続き、(a) 撹拌翼前面および背面における結晶粒子の衝突現象の定量化とそのメカニズムの解明、ならびに(b) 装置サイズが異なる場合や異なる溶液条件下における微小結晶粒子の有効核化率の定量化に関する検討を進めるとともに、(c) 回分式または連続式冷却晶析操作をモデルケースとして、結晶粒子の生成・成長・消失を考慮したPopulation BalanceとMass Balanceの連成解析手法の構築を目指す。
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[Book] 晶析工学は、どこまで進歩したか (最近の化学工学64)2015
Author(s)
久保田徳昭, 前田光治, 滝山博志, 大嶋寛, 平沢泉, 三上貴司, 三角隆太, 入谷英司, 高須賀正博, 須田英希, 島村和彰, 小針昌則, 高井浩希, 渡邉裕之, 大田原健太郎, 三木秀雄, 浅谷治生
Total Pages
208(72-85)
Publisher
三恵社
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