| 研究課題/領域番号 |
18K03961
|
|---|
| 研究機関 | 佐世保工業高等専門学校 |
|---|
研究代表者 |
城野 祐生 佐世保工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (80353233)
|
|---|
| 研究分担者 |
長田 秀夫 佐世保工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (70221463)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| キーワード | 流動層 / マイクロリアクター / 粒子 / 離散要素法 / 流動化特性 / DEM |
|---|
| 研究実績の概要 |
本年度は、『マイクロ流動層の流動状態・流動特性の計測』、『数値シミュレーションによる流動状態の解析』、『反応率測定用実験系の構築』に取り組んだ。
『マイクロ流動層の流動状態・流動特性の計測』では、前年度に製作したマイクロ流動層装置を基に一部外注をしてより精度の高い流動層装置を製作した。この装置により層膨張や圧力損失等の流動化特性を計測できるようになった。ラボスケールの流動層で得られた結果と比較をおこなったところ、２つの点で顕著な違いが見られた。１点目は定常化するまでの時間が大きく異なるという点であり、ラボスケールの流動層に比べ、マイクロ流動層では層高や圧力損失が一定となるまでに長い時間を要することが確認できた。粘性をパラメーターとした実験結果から、粘性の影響が大きいことが予想され、装置サイズを小さくした場合もこの影響は強くでてくることが推察された。また、２点目として、流量を大きくした場合にマイクロ流動層では粒子層上部界面の崩壊が生じることが分かった。これは前年度の実験でも関連する現象がみられており、前年度導入済のPIVシステムにより可視化計測を実施した。粒子層を通過した後に流速分布が形成され、その流れの影響によって界面の粒子が浮上していると推察された。
次に、『数値シミュレーションによる流動状態の解析』では、マイクロ流動層の解析を行うための数値シミュレーションコードや環境の開発を進めた。粒子の接触計算にはDEMを用い、数値シミュレーションのツールボックスとしてOpen Foamを利用した。矩形形状の同スケールの流動層の数値シミュレーションを行い、実験と同様の流動化状態が得られ、流動化特性としてのデータも出力できることを確認した。
さらに、反応率測定用実験の構築では評価法の開発を行った。アルミナ担持白金の触媒粒子を用い、トルエンの反応からどの反応系が適切であるか検討を行った。
|
| 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
科研費申請書における令和元年度の年次計画では『マイクロ流動層の流動状態・流動特性の計測』、『数値シミュレーションによる流動状態の解析』に取り組むことを計画した。『マイクロ流動層の流動状態・流動特性の計測』については、当初計画で令和元年度導入予定であったPIVシステムを平成30年度中に前倒しして導入しており、この装置を用いて令和元年度も継続して測定を行った。逆に、『数値シミュレーションによる流動状態の解析』において平成30年度中に導入予定であった数値解析用ワークステーションは令和元年度導入に見送ることとしていたが、その予定どおり解析用ワークステーションの導入を行っている。つまり、平成30年度と令和元年度において導入する予定であった設備備品の順序の一部入れ替えがあったものの、申請時に計画していた内容の実験や解析をほぼ実施できている。マイクロリアクター実験装置は高額ではない小さい部品の組み合わせで構築できているため、消耗品として導入した。『数値シミュレーションによる流動状態の解析』に関して、現在DEMを用いたマイクロ流動層の数値シミュレーションコードの開発を進めているが、このシミュレーションツールとして、フリーのOpen Foamを利用しているが、これ以外有償のコンパイラも用いて解析を進めており、複数手段による検討を行っている。また、研究分担者である長田と協力して反応率測定用実験系の構築も予定より前倒しで進めている状況である。年度末の学会発表の予定がなくなったが、おおむね当初計画どおりに進めている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度は『マイクロ流動層の流動特性の計測』、『マイクロ流動層流動状態の数値シミュレーション』、『マイクロ流動層を用いた反応率の測定』に取り組む。『マイクロ流動層の流動特性の計測』は申請時での令和2年度の計画には入っていなかったが、実験を進める中で明らかとなったマイクロ流動層中の粒子層界面の崩壊や粒子の浮上についてさらに計測して検討を進める必要があるため、実験を継続する。また、それらの現象に対しての数値シミュレーションも合わせて実施を継続していく。マイクロ流動層での流動条件に対する反応率の評価では、「固体酸触媒を用いた酢酸エチルの加水分解反応」をモデル反応として予定している。小型流動層前後の濃度をガスクロマトグラフ等により分析評価し、流動特性と反応率の関係について調査する。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
研究の進捗に記載したとおり、本予算で導入予定であったPIVシステムと数値解析用ワークステーションの購入年度を入れ替えたことが理由の１つである。また、本研究での数値解析に適したワークステーションの導入費用が予定よりも安価であったこと、学会発表がなくなったことが理由である。今後の研究推進方策に記載とおり、流動特性の計測と数値シミュレーションを継続して実施することとなったため、これを推進していく上で必要となる実験消耗品および解析ソフトウェア購入費、利用料に使用していく計画である。
|
