Infrasctructure
反応器デザインと数値シミュレーション
反応器のスケールアップを目指した設計では、高性能コンピュータを用いた数値シミュレーションが重要な役割を果たします。
当社の数値シミュレーション技術は、電磁場・熱流体・構造解析の三本柱からなります。目的に応じて、複数の手法を組み合わせた、連成解析という高度な技術を適用します。ここでは、当社が採用している数値シミュレーション・ソフトウェアを紹介します。
当社保有シミュレーション・ソフトウェア一覧
解析内容 | シミュレーション・ソフトウェア |
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電磁場解析 |
Ansys HFSS CST Studio Suite |
熱流体解析 |
Ansys Fluent Ansys Rocky |
構造解析 | Ansys Mechanical |
マルチフィジックス 解析 |
COMSOL Multiphysics |
電磁場解析
電磁場解析ではマックスウェルの方程式を解き、反応器内をマイクロ波が広がる様子や、マイクロ波加熱による物質の発熱量分布を可視化します。被加熱物には、当社で測定した複素誘電率の値を割り当てます。当社では、ラボ・ベンチ・実機、各スケールでの解析に対応するため、以下のソフトウェアを採用しています。
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Ansys HFSS
ラボからベンチ、(あまり大きくない)実機スケールの反応器を解析するときに使います。周波数ごとの電磁場の振る舞いを明らかにします(周波数領域解析)。
図1:マイクロ波反応器内の電磁場強度分布
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CST Studio Suite
比較的小さいメモリ消費量で解析ができるので、実機スケールの反応器を解析するときに使います。周波数領域解析だけでなく、時間ごとの電磁場の振る舞いも計算することができます (時間領域解析)。電磁場と熱流体の連成解析にも対応しています。
図2:実機スケールの撹拌槽内におけるマイクロ波発熱量分布
熱流体解析
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Ansys Fluent
熱流体解析では流体の連続の式、運動方程式、エネルギーの式、必要に応じて反応式などを合わせて解きます。それにより反応器内で化学反応が進む様子や液体の流れの様子、被加熱物質の温度変化がわかります。
図3:反応器内における流体運動の軌跡
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Ansys Rocky
触媒粒子系に代表される粉粒体の挙動を調べる際には、離散要素法(Discrete Element Method; DEM)という手法を用いて、粒子の運動方程式を解きます。
図4:流動層における、ガス及び粒子の速度分布
構造解析
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Ansys Mechanical
構造解析では、反応器内の高い圧力により、筐体に生じるひずみや応力値を計算します。この結果をもとに筐体の強度判定を行います。
図5:板状の物体に発生する応力分布
マルチフィジックス解析
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COMSOL Multiphysics
COMSOL Multiphysics®は、マルチフィジックス解析を前提として設計されている有限要素法 (FEM)ベースの汎用物理シミュレーションソフトウェアです。複素誘電率測定により得られた実測パラメータ値から電磁場の分布を計算することができ、得られた結果からさらに熱分布解析まで1つのソフトウェアで計算することができます。マルチフィジックスという名前が表すように、反応系内の電磁波の挙動と発熱挙動を化学反応と結びつけて、考察するために有用なツールです。
図6:開発用マイクロ波リアクター内部に置いたセラミックスサンプルの電磁場分布