| 研究概要 |
従来,化学装置の設計法は,与えられた構造下でサイズを最適に定めることが中心であった。本研究は,これまで蓄積されてきた化学工学研究に基づく知見とシステム工学手法および飛躍的に発達した計算機能力を用い,構造までも考慮に入れた新たな設計法の提案を目標とした。具体的には,装置に対する入出力関係が与えられたとき,装置の構造の選定や各部の形状までも変数に加えて最適化問題を解くことにより,望ましい構造・形状・サイズを導出する手法の開発を目指した。22年度の成果を以下に纏める。
1)構造を考慮できる設計用モデルの開発
複数の装置のCFD解析結果に基づき,構造を表す素子としての設計用モデルを開発した。例えば混合に着目すると,並行接触式,櫛歯式,分割結合式といった操作毎に,入出力関係を表すモデルを作成した。モデルの出力(混合時間,収率等)は,入力(流速,濃度等)および決定変数(サイズ等)の関数で表される。また,実験結果と比較し,設計モデルから得られるシミュレーション結果の妥当性を確認した。
2)最適流路構造導出システムの開発
プロセス条件が与えられたとき,操作・設計制約を満たし,目的関数を最大にする流路構造・サイズ・並列化数を導出できるシステムを開発した。1)で作成した設計モデルを用い,スーパーストラクチャーを構築することで,設計問題を混合整数非線形計画問題として定式化した。多段混合・反応プロセスのケーススタディを通して,開発したシステムの有効性を確認した。
3)CFDに基づく流路サイズ設計の効率化
流路構造導出後の詳細な流路サイズ設計には,現状ではCFD計算を行わざるを得ない。CFD計算負荷を削減するための簡易計算法を開発し,現実的な時間での流路構造最適化と流路サイズ最適化を可能とした。
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