| 研究課題/領域番号 |
22K04799
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27010:移動現象および単位操作関連
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
三角 隆太 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40334635)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 撹拌・混合 / 晶析 / デジタルツイン / CFD / ポピュレーションバランス / トモグラフィックPIV / 凝集 / 二次核 / Mixing / Crystallization / Digital twin / PIV / Population balance model |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、撹拌装置を用いた溶液晶析操作においてとくに重要と考える「撹拌羽根の旋回領域内の乱流流動状態」、「母結晶粒子が撹拌羽根に衝突する現象とそれに伴う摩耗微結晶(二次核)の生成」に着目し、最先端のトモグラフィックステレオPIV計測ならびに粒子運動の高度な画像計測技術による実測データにもとづいて、装置内で引き起こされる様々な現象をコンピューターを用いて忠実に再現することで製品結晶の高度な品質予測・制御を可能とする「デジタルツイン技術」の完成を目指す。
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| 研究実績の概要 |
(a) 晶析槽内の溶液の流れは結晶の結晶の分散状態や核成長に影響を与えることから、粒径分布予測シミュレーションにおいては、流動状態と粒子現象を連成して解くことが重要である。また、晶析操作の粒径分布を予測し制御するためには、結晶成長、核発生、凝集現象を定量化し、槽内の結晶個数の収支に基づくPopulation Balance Model (PBM) 解析が有効である。2023年度は、食塩蒸発晶析プロセスを象に、種晶添加条件、蒸発速度、半回分・連続操作に広く適用できるPBM 解析手法の構築を目的とし、種晶添加条件の変更に対応できるPBM 解析手法について検討した。その結果、結晶凝集が抑制されたモデル実験2条件の粒径分布と結晶体積分率の実測値に基づいて成長速度と二次核発生モデルのパラメーター推算を行った。同値を用いて種晶条件の異なる2条件についてPBM 解析を行い、実験結果をおおよそ再現できることを確認した。今後は広い種晶条件範囲における成長速度、二次核発生モデルの適用性や結晶凝集モデルの検討を進める。
(b) 乱流撹拌槽においては、大小さまざまなスケールの渦が発生し、特に撹拌羽根旋回領域の流動状態が液滴・気泡分散などに大きく影響する。PIV(Particle Image Velocimetry)は羽根旋回領域の流速測定に有効であるが、汎用的な2次元2成分測定では乱流構造を十分に把握できない。2023年度は、ラシュトンタービンを対象に、ボリュームレーザー光と高速度ビデオカメラ4台を使用したトモグラフィックステレオPIVにより撹拌羽根旋回領域内の瞬間速度の3成分の3次元的な分布を同時測定することで、吐出流速分布、羽根背面の渦構造、乱流エネルギー分布、エネルギー散逸率分布等を実測することに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
(a)の食塩蒸発晶析のPBM解析については、化学工学会第54回秋季大会にて1件の招待講演と1件の口頭発表を行った。(b)の撹拌羽根近傍の3次元乱流測については、化学工学会第54回秋季大会にて2件の口頭発表をし、化学工学会第89年会にて1件の発表を行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和6年度は、サブテーマごとに研究計画に従って研究を進め、得られた研究結果について、順次論文発表を進める。
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