【流体】Vol.9　２液撹拌シミュレーション

2020年09月17日

粒子法を用いた2液撹拌の事例をご紹介します。
今回のメルマガでは、以下の目的1に関する内容です。

目的

１．2液の反応を促進させるために、回転数を変えて反応が促進されるかを定量的に確認します。
２．回転数を上げるのとは別の混ぜる方法を検討し、反応が促進されるかを評価します。

解析内容

■　対象形状
下図参照

■　液体物性値
　□　水酸化ナトリウム（NaOH）
　　〇密度：1.1 g/cm^3
　　〇粘性係数：0.0022 Pa・s
　　〇表面張力係数：72 mN/m
　　〇接触角：60°
　□　MTBE
　　〇密度：0.74 g/cm^3
　　〇粘性係数：0.000296 Pa・s
　　〇表面張力係数：20 mN/m
　　〇接触角：60°

■　解析条件
　□　液量
　　〇 NaOH：底面から300mmまで
　　〇 MTBE：NaOHの液面から30mmまで
　□　回転条件
　　〇形状を上から見て右回りで回転
　　〇 0.5秒で最高速度に到達(加速度一定）
　　〇 20rpmと100rpmの2パターン
　□　物理時間
　　〇 10秒

計算結果 -回転数の異なりによる攪拌の違い-

■　最大回転数20rpmだと比重の軽いMTBEが上層を形成する。
■　最大回転数100rpmだとMTBEが重力方向に分散する。

0.5秒で20rpmに到達する場合	0.5秒で100rpmに到達する場合

反応促進評価指標（HSHS）の導入

■　前提
　□　反応速度を濃度で表現する。
　□　NaOHとMTBEの反応速度
　　　∝　NaOHとMTBEの衝突頻度
　　　∝　[NaOH]×[MTBE]　＊[]:濃度
■　方針
　□　濃度の偏りの影響を反映させる。
　□　全体（空間-時間）の反応速度を評価する。
■　反応促進評価指標（HSHS）
　□　濃度積の空間- 時間平均を指標とする。
　　　濃度積の空間-時間平均の式
　　　→下図の●における２液の濃度積の時間-空間平均
　　　＊攪拌軸周りの対称性を考慮

HSHS評価結果と考察

■　評価結果

■　考察
　MTBEが時間-空間的に分散すると反応が促進される。
　→仮説：重力方向の対流を発生させることにより反応の促進が可能。
　→混ぜる方法の提案の方針：重力方向の対流が発生するような攪拌機形状の模索。

参考文献

・化学工学の基礎　鈴木善孝著　東京電機大出版局(2010)
・DEMシミュレーションにおける粉粒体の混合度を評価する方法の検討　中田洋一, 山井三亀夫, Prometec Simulation Conference (2015)

[原文：ひっつきもっつき　転載：M.Kawahara]

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