Challenge to systematize vortex dynamics for process intensification technology to create innovative processes
| Project/Area Number |
18H03853
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
大村 直人 神戸大学, 工学研究科, 教授 (50223954)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
増田 勇人 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 講師 (90781815)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2019: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2018: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000)
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| Keywords | 渦動力学 / プロセス強化 / 機能構造 / 設計論 / 操作論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、「渦の動力学」を固体集積、混合・反応促進、粒子分級、物質輸送といった渦の持つ機能構造に着目し、化学工学的に体系化することを目的として、以下の４つの課題に取り組んでいる。
1)渦流動場の粒子集積過程の解明と放出制御能の探査では、昨年実施した２円柱非定常交互回転流動場から生じる２次元カオス混合場における微粒子分散・凝集挙動の研究を３次元混合場に拡張するために、撹拌槽内で孤立混合領域が生じる層流混合場での微粒子分散・凝集挙動について調査した。その結果、乱流混合場に比較して顕著な粒子凝集が観察された。現在、ポピュレーションバランスモデルを組み込んだCFDシミュレーションを用いて凝集挙動のメカニズム解明を試みている。
2)渦内の混合・反応特性の調査では、昨年度に引き続き、液滴振動装置を用いて、振動周波数と振幅を変化させ、液滴内の循環流動パターンと混合過程を調べた。液滴内の混合測定では、混合が完了するまでに必要な振動回数（無次元混合時間）は、振動周波数が低いほど、振幅が大きいほど、液滴内の循環流動が不安定で混合が促進することがわかった。
3)円錐型テイラー渦流を利用した粒子分級では、ヘリカル状の渦が生じる流動場において、シリカ粒子の分散状態を調査した。その結果、単純せん断場では得られない、比較的大きな凝集体粒子が生じること、得られる粒子径分布は単にブロードするのではなく、３つのピークを持つことがわかった。
4）渦の移動による剥離および、物質輸送能の調査では、オーストラリアのRMIT大学、CSIROと撹拌槽内に付着するスケールの軽減に関する共同研究を開始した。今年度は、撹拌槽に設置したバッフルにおいて、バッフルと撹拌槽壁に隙間を空けることで、その隙部を流体が通過するときに発生する渦により、撹拌槽に付着するスケール量が大幅に減少することを見出した。
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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
課題1)においては、撹拌槽内の3次元カオス混合場での粒子分散・凝集挙動について重要な知見が得られた。研究成果を基に、２機関との国際共同研究へと発展している。
課題2)においては、液滴内の混合挙動の詳細について、重要な知見が得られている。さらに、この課題において、液滴のLeidenfrost現象と組み合わせた国際共同研究が進捗している。また、国内外の研究者と液滴勉強会を立ち上げ、多面的な視点による議論を行っている。
課題3)においては、円錐形のテイラー渦流による研究は、単純せん断場では得られない、大粒径かつ、特徴的な粒子径分布を持つ凝集粒子が得られ、分級装置のみならず、新奇な粒子凝集装置の開発も期待できる。
課題4）については、これまでの知見を基に、撹拌槽のスケール付着軽減に関する国際共同研究を開始し、渦流動場がスケール軽減に大きな効果を持つことを見出している。
以上各課題とも順調に研究成果が上がっており、本研究課題全体として「おおむね順調に進展している。」と自己評価した
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| Strategy for Future Research Activity |
1)渦流動場の粒子集積過程の解明と放出制御能の探査については、撹拌槽内の粒子分散・凝集挙動の研究を引き続き行う。これと並行して、ポピュレーションバランスモデルを組み込んだ数値流体力学計算により、粒子発散能を定量的に評価する。実験では、昨年度未着手であった粒子濃度が高い条件でも流速測定および、粒子集積状況を調査するための超音波流速分布計を用いた計測を行う。
2)渦内の混合・反応特性の調査については、引き続き、液滴振動装置を用いて、振動の周期と振幅を変化させ実験を行うが、今年度は、国際共同研究先と共同でLeidenfrost現象を用いた液滴移動と２液滴衝突制御実験も行う。また、磁性流体の液滴を用いて、運動制御を行い、新奇なエネルギー発生システム開発の可能性も検討する。
3)円錐型テイラー渦流を利用した粒子分級については、流動・固体分散機構を数値流体力学によるシミュレーションを中心に引き続き詳細に調べる。さらに晶析反応など造粒プロセスに適用し、粒子の造粒・分級の制御性について検証する。
4）渦の移動による剥離および、物質輸送能の調査については、撹拌槽のスケール軽減に関する共同研究を推進するとともに、昨年度に引き続き、振動流バッフル付き管型反応器を用いた晶析実験を行うことで、渦流動による反応性能の向上について検証する。
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Report
(2 results)
Research Products
(50 results)
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[Presentation] Aggregation process of silica micro particles in a two dimensional chaotic mixing field2019
Author(s)
Ochi, Y., Horie, T., Komoda, Y., Tung, K.-L., Ohmura, N.
Organizer
18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019), Sapporo, Japan
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[Presentation] Process optimization of enzymatic hydrolysis of polysaccharide using Taylor-Couette flow reactor2019
Author(s)
Matsumoto, M., Masuda, H., Hubactz, R., Shimoyamada, M., Ohmura, N.
Organizer
18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019), Sapporo, Japan
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Int'l Joint Research
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[Presentation] Particle dispersion and aggregation under various shear fields2019
Author(s)
Muranishi, K., Masuda, H., Hasegawa, T., Horie, T., Ohmura, N.
Organizer
18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019), Sapporo, Japan
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[Presentation] Effect of geometrical configuration of baffles on mixing performance in a stirred vessel2019
Author(s)
Sato, E., Horiguchi, H., Horie, T., Komoda, Y., Ohmura, N.
Organizer
18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019), Sapporo, Japan
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[Presentation] CFD analysis of effective human motion for whipping heavy cream by hand2019
Author(s)
Ikeda, K., Masuda, H., Shirasugi, N., Honda, S., Horie, T., Ohmura, N.
Organizer
Engineering Future Food, Bologna, Italy
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