プロセスシステム工学的アプローチによる
マイクロプラントの設計・運転・制御に関する方法論の構築
 
マイクロ化学プロセス技術は,反応場をマイクロメートルスケールの微小空間に持ち込み,微小空間内の物質を自由に操ることで,高機能&高品質の化学合成を実現する技術である。マイクロ化学プロセス技術は,副生成物の少ない化学合成,粒径の揃った微粒子の調製,研究開発から実生産への移行時間短縮,エネルギー効率の改善,安全性の向上,オンサイト/オンデマンド生産などを可能にし,化学や製薬といった素材産業において積極的に利用されようとしている。

我々の研究グループでは,プロセスシステム工学を柱に,マイクロ化学プロセスを実現するハードウェアであるマイクロプラントやマイクロリアクタの
設計・運転・制御を合理的に行うための方法論について研究している。最新の数値流体解析法と最適化法の融合による流路構造・形状・寸法設計,高度な非線形状態推定技術を用いた運転監視,閉塞診断機能を備えたナンバリングアップによる生産量増大方法,などについてシミュレーションと実験の両面から研究開発を進めている。

十年先,理論と計算に先導された高機能集積型マイクロリアクタ設計,
マイクロプラント超安定連続運転の実現を目指して


1.化学装置の構造設計/形状設計/寸法設計のためのモデリングと最適化
経験工学的な要素が多く含まれた装置設計から脱却することを目指して,マイクロリアクタ/マイクロプラントを例題に,マルチフィジクスモデリング,マルチレベルモデリング,モデリングの低次元化技術,最適化技術,などを組み合わせて用いたシミュレーション・ベースド・エンジニアリングによる装置設計法を構築する。

  


以下に幾つかの研究事例を紹介する。

   
   事例1.随伴変数法を用いた流路形状最適化   事例2. モデル低次元化による最適設計
    
  (図をクリックすると拡大表示します)      (図をクリックすると拡大表示します)

                
   事例3. シンセシスによる最適流路構造導出     事例4. 反応速度解析システム
    
  (図をクリックすると拡大表示します)      (図をクリックすると拡大表示します)


2.マイクロ化学プロセスモニタリングシステム開発

マイクロリアクタ/マイクロプラントの生産量増大や連続運転のための方法論の開発が求められている。従来リアクタの生産量増大はスケールアップによって達成される一方で,マイクロリアクタの生産量増大には並列化(ナンバリングアップ)が採用される。並列化という概念を説明するのは容易であるが,その概念を具体化するには試行錯誤が伴うのが実情である。また,連続運転の実現には,従来リアクタとマイクロリアクタを問わず,実生産に適用可能な運転状態監視と制御の技術がキーである。そこで我々の研究グループでは,マイクロリアクタの生産量増大方法論の構築,および,マイクロリアクタに適した運転状態監視(プロセスモニタリング)システムの開発を目指して,その要素技術の開発に取り組んでいる。

   
  事例1. ハードウェアによるモニタリング   事例2. ソフトウェアによるモニタリング
    
 (図をクリックすると拡大表示します)       (図をクリックすると拡大表示します)

  
  事例3. 閉塞検出・診断機能を備えた並列化
    
 (図をクリックすると拡大表示します)   


3.数値流体力学シミュレーション(CFDシミュレーション)

●装置材質の選択が積層式マイクロ熱交換器性能に及ぼす影響度解析結果
  


●マイクロミキサの混合特性解析(左)&2相流の非定常シミュレーション(右)
  

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Process Systems Engineering, Dept. of Chem. Eng., Kyoto University
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