芳香族炭化水素を対象とした動的モンテカルロ法による速度モデル構築法の提案

• Project/Area Number: 15J04436
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Properties in chemical engineering process/Transfer operation/Unit operation
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 松川 嘉也 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: KMC / 動的モンテカルロ / PAH / 多環芳香族炭化水素 / 詳細化学反応機構 / 動的モンテカルロ法 / 感度解析 / 量子化学計算 / 遷移状態理論 / HACA機構 / PAC機構

Outline of Annual Research Achievements

平成28年度には、(1)反応速度定数の算出、(2)速度モデルの構築および(3)ケーススタディの実施を行う予定であった。このうち、(1)反応速度定数の算出については平成27年度中に前倒しで実施したため、本年度は(2)速度モデルの構築および(3)ケーススタディの実施を行った。動的モンテカルロ(KMC)シミュレーションの結果、アセチレンあるいはエチニルラジカルの付加反応が最も支配的な反応であることが明らかになった。これらの反応は、すでに既存の速度モデルに十分組み込まれているため、新たに反応を追加する必要はない。ベンゼンあるいはフェニルラジカルの付加反応は、アセチレンあるいはエチニルラジカルの付加反応程は重要ではないが高温では重要な反応であることも明らかになった。これらの反応は、既存の速度モデルではごく一部しか考慮されてない。そこで、フェニルラジカルの反応を香束らの詳細化学反応機構から採用し、追加することで、これらの反応を考慮できるようにした。
ケーススタディを行った結果、原料にベンゼンを用いた場合と比較して、トルエンあるいはエチルベンゼンなどの側鎖のついた芳香族炭化水素を用いた場合の方が多環芳香族炭化水素(PAH)の生成量が大きくなった。この原因について、側鎖が分解することでメチルラジカルが生成し、反応を促進したのではと考え、原料にメタンを添加してケーススタディを行ったが、メタンを添加すると多環芳香族炭化水素の生成量はむしろ低下した。
以上のことから、側鎖を有する芳香族炭化水素を原料とした場合にPAHの生成量が増加し、メタンの存在量が多いときに、PAHの生成量が低下する可能性が示唆された。
加えて、詳細化学反応機構を流体計算と連成させた際の高速化および詳細化学反応機構の簡略化手法の精度向上にも取り組みいずれも既存の手法と比較して、大きく効率が向上した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Reaction pathway for nascent soot in ethylene pyrolysis (2016)
  • Author(s): Yoshiya Matsukawa, Kiminori Ono, Kazuki Dewa, Aki Watanabe, Yasuhiro Saito, Yohsuke Matsushita, Hideyuki Aoki, Koki Era, Takayuki Aoki, Togo Yamaguchi
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 163 Pages: 248-258
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2016.02.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evolution of size distribution and morphology of carbon nanoparticles during ethylene pyrolysis (2016)
  • Author(s): Kazuki Dewa, Kiminori Ono, Aki Watanabe, Kaname Takahashi, Yoshiya Matsukawa, Yasuhiro Saito, Yohsuke Matsushita, Hideyuki Aoki, Koki Era, Takayuki Aoki, Togo Yamaguchi
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 163 Pages: 115-121
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2015.09.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation mechanisms of soot from high-molecular-weight polycyclic aromatic hydrocarbons (2015)
  • Author(s): Kiminori Ono, Yoshiya Matsukawa, Kazuki Dewa, Aki Watanabe, Kaname Takahashi, Yasuhiro Saito, Yohsuke Matsushita, Hideyuki Aoki, Koki Era, Takayuki Aoki, Togo Yamaguchi
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 162 Issue: 6 Pages: 2670-2678
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2015.03.022
  • Peer Reviewed
• [Presentation] DRGEP-BASED MECHANISM REDUCTION WITH LARGE TEMPERATURE VARIATION BY CONSIDERING TIME DEPENDENCY OF REACTION RATE (2016)
  • Author(s): Y. Matsukawa, Y. Saito, Y. Matsushita, H. Aoki
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu、米国
  • Year and Date: 2016-09-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 詳細化学反応を考慮した流体解析における ヤコビ行列の計算法の検討 (2016)
  • Author(s): 松川嘉也，齋藤泰洋，松下洋介，青木秀之
  • Organizer: 第25回日本エネルギー学会
  • Place of Presentation: 工学院大学（東京・新宿）
  • Year and Date: 2016-08-09
• [Presentation] 芳香族炭化水素へのメチル基の付加反応の動的モンテカルロシミュレーションによる検討 (2016)
  • Author(s): 松川嘉也, 篠原璃沙, 高橋要, 出羽一樹, 齋藤泰洋, 松下洋介, 青木秀之
  • Organizer: 化学工学会 第81年会
  • Place of Presentation: 関西大学 千里山キャンパス
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Presentation] CH3，C2H2およびフェニルラジカルの付加がPAHsの成長に及ぼす影響 (2015)
  • Author(s): 松川嘉也, 出羽一樹, 高橋要, 齋藤泰洋, 松下洋介, 青木秀之
  • Organizer: 第42回炭素材料学会年会
  • Place of Presentation: 関西大学 千里山キャンパス
  • Year and Date: 2015-12-02
• [Presentation] ビアントラセン，ビフェナントレン，ビピレンの生成反応: 密度汎関数法による多環芳香族炭化水素の付加反応の解析 (2015)
  • Author(s): 松川嘉也, 小野公徳, 高橋要, 出羽一樹, 齋藤泰洋, 松下洋介, 青木秀之, 江良康貴, 青木崇行, 山口東吾
  • Organizer: 第53回燃焼シンポジウム
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
  • Year and Date: 2015-11-18
• [Presentation] 炭化水素側鎖を持つ芳香族炭化水素を 原料とした場合におけるすすの生成機構の検討 (2015)
  • Author(s): 松川嘉也, 高橋要, 渡辺愛貴, 出羽一樹, 小野公徳, 齋藤泰洋, 松下洋介, 青木秀之, 江良康貴, 青木崇行, 山口東吾
  • Organizer: 粉体工学会 2015年度 秋期研究発表会
  • Place of Presentation: 大阪南港 ATC
  • Year and Date: 2015-10-13
• [Presentation] 熱プラズマによる反応がエチレン・アセチレンの熱分解時におけるカーボン材料の形態に及ぼす影響 (2015)
  • Author(s): 松川嘉也, 渡辺愛貴, 高橋要, 出羽一樹, 小野公徳, 齋藤泰洋, 松下洋介, 青木秀之, 江良康貴, 青木崇行, 山口東吾
  • Organizer: 化学工学会 第47回秋季大会
  • Place of Presentation: 北海道大学 札幌キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-09