現象論的ダイナミックスの設計論への導入に関する研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12355031
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 片岡 邦夫 神戸大学, 工学部, 教授 (20031081)
• 研究分担者: 平田 雄志 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90029512) ; 堤 敦司 東京大学, 工学系研究科, 助教授 (00188591) ; 黒田 千秋 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (80114867) ; 土屋 活美 徳島大学, 工学部, 助教授 (00227430) ; 亀山 秀雄 東京農工大学, 工学部, 教授 (10114448)
• キーワード: 非線形ダイナミックス / 複雑系化学プロセス / 動的設計・操作法 / 不安定性 / カオス混合 / 混相流反応装置 / 多重安定性 / 振動現象

研究概要

本研究は、化学プロセス自身が非線形性の強い複雑系で、そのシステムや操作を設計(シンセシス)するためには、システムの各要素の現象論的ダイナミックスをいかにデータベース化して統合的に設計法に導入するかが、今後の化学系生産工学の重要な問題であるとのフィロソフィーに立脚した総合的展開研究である。
初年度は、次のA〜G班の研究グループで研究分担して、以下の研究を推進し、成果を挙げた。。
A:複雑系化学プロセスの混合、BZ反応、乳化重合の非線形ダイナミックスの要素還元的アプローチによるデータ集積と構成論的設計のためのデータベース化の基礎研究をして、不安定性の分岐特性と反応プロセスの動的操作の有利性を見出し、混合場の構成論的設計思想を構築した。
B:複雑系化学プロセスの設計のために知的ネットワークを導入して、重合や分離プロセスのモデリングの研究をして、ニューラルネットワークを用いたモデリング方法や遺伝的アルゴリズムなどによるバッチプロセス運転管理の最適化手法を見出した。
C:気固系、気液系、三相系混相流の流動の非線形ダイナミックスの動的データを集積し、バーチャルリアクターの構築と設計に関する研究をして、新しい反応装置の設計やスケールアップの手法を創出し、動的熱伝達などの時系列データに変換できるトランスフォーマーを設計した。
D:混合場の設計手法に関連して、振動流れ系の流体混合ダイナミックスの解析手法とカオス混合の実現を目指した研究をして、ニューラルネットワークによる組み合わせ最適法を粒子移動の会席手法に導入して振動混合の動的メカニズムを明らかにするとともに、円板振動混合法のエネルギー効率の有利性を実験により明らかにした。
E:気固触媒反応の高効率化のための動的操作・制御法の研究をして、2-プロパノールの脱水素反応において白金担持プレート触媒へ原料をパルス状のスプレーで供給する高効率の非定常操作法を開発した。
F:反応、蒸留、膜分離プロセスの設計・操作に非線形ダイナミックスを導入する手法の研究をして、それぞれのプロセスの動的特性として、多重安定性や振動現象が出現する条件を明らかにした。
G:混相流反応装置設計に必要な、気泡群の運動と界面物質移動のカップリングの動的データの解析とモデリングの研究をして、気泡個々の物質移動促進メカニズムを界面波動が支配しており、ガス溶解促進・制御のための設計・操作に重要な基礎データを得るとともに、気泡周辺の局所流れ構造と濃度拡散パターンの相関性の検討をした。

研究成果

• [文献書誌] k.Kataoka: "Consideration of Instailities of Nonlinear Transport an Reaction in the Synthesis of Complex Chemical Process Systems"Plenary Lecture Presentation Record, 2000 AIChE Annual Meeting, Nov.12-17, Los Angeles. Session No.20013 (2000)
• [文献書誌] N.Ohmura: "Analysis of Orderliness in Higher Instabilities Toward the Occurrence of Chaos in a Taylor-Couette Flow System"Laser Techniques Applied to Fluid Mechanics, ed.by R.J.Adrian et al., Sringer. 299-313 (2000)
• [文献書誌] T.Takigawa: "Mixing-Effective Motion of High Viscosity Fluid Around a Rotating Elliptic Cylinder"Journal of Chemical Engineering, Japan. 33・3. 420-426 (2000)
• [文献書誌] C.Kuroda: "Application of Recurrent Neural Networks to Dynamic Predictions in Chemical Reactors"International J.of Knowledge-based Intelligent Engineering Systems. 4・4. 201-207 (2000)
• [文献書誌] J.Kim: "Neural Network Modeling in Exothermic Polymerization Process"Proc.of International Conference EANN'00,. 131-138 (2000)
• [文献書誌] M.Abe: "An Artificial Neural Network Optimized by a Genetic Algorithm for Real-time Flow-shop Scheduling"Proc.of 4^<th> International Conf.on Knowledge-based Intelligent Engineering Systems & Allied Technologies KES'2000. 329-332 (2000)
• [文献書誌] H-S.Ji: "Nonlinear Dynamics of Gas-solid Circulating Fluidized-bed System"Chem.Eng.Sci. 55・2. 403-410 (2000)
• [文献書誌] A.Tsutsumi: "Design and Scale-up Methodology for Multi-phase Reactors Based on Nonlinear Dynamics"Applied Energy. 67・1-2. 195-219 (2000)
• [文献書誌] Y.Nakajima: "Modeling of the Chaotic Dynamics ina Circulating Fluidized Bed by an Artificial Neural Network"Journal of Chemical Engineering, Japan. (in press). (2001)
• [文献書誌] 橘祐司: "離散写像による流体混合過程のモデル化-ニューラルネットワークによる組み合わせ最適化法を用いた写像構成法"化学工学論文集. 26・4. 596-603 (2000)
• [文献書誌] Y.Komoda: "Mixing Performance by Reciprocating Disk in Cylindrical Vessel"Journal of Chemical Engineering, Japan. 33・6. 879-885 (2000)
• [文献書誌] T.Amemiya: "An Oregonator-class Model for Photoinduced Behavior in the Ru (bpy) 32+-Catalyzed Belousov-Zhabotinsky Reaction"J.Phys.Chem.. A104・2. 336-344 (2000)
• [文献書誌] K.Huang: "On the Startup of Ideal Heat Integrated Distillation Column (HIDiC)"Journal of Chemical Engineering, Japan. 33・3. 533-537 (2000)
• [文献書誌] M.Nakaiwa: "A New Configuration of Ideal Heat Integrated Distillation Column (HIDiC)"Comput.Chem.Eng.. 24・2-7. 239-245 (2000)
• [文献書誌] T.Kanamori: "Mass Transfer of a Solute by Diffusion with Convection Around a Single Hollow-Fiber Membrane for Hemodialysis"Desalination. 129. 217-225 (2000)
• [文献書誌] T.Shinbo: "Separation of Aromatic Isomers on Cyclophane-Bonded Stationary Phases"J.Chromatogr.. A877. 61-69 (2000)
• [文献書誌] K.Tsuchiya: "Mass Transfer from an Oscillating Bubble in the Presence of Interacting Bubbles and Surface Contaminants"Proc.5^<th> German-Japanese Symp.on Bubble Column, May 28-30, Dresden. 11-16 (2000)
• [文献書誌] K.Tsuchiya: "Enhancement of Bubble Dissolution Associated with Formation of Bubble-Surface Wave"Proc.4^<th> International Conf.on Multiphase Flow, May 27-June 1, New Orleans. (in press). (2001)