(57)【要約】【課題】化学装置内の流動状態を考慮した反応解析を実現象に近く、かつ効率的に解析を進めることができる数値反応解析方法、その方法を実行する計算プログラムを提供する。【解決手段】化学装置内の流動状態を考慮した反応解析に関し、連続の式、運動方程式、エネルギー保存式といった流れを支配する微分方程式を有限差分法で流体解析する３次元流動モデルと、化学装置内を表す解析空間の次元を落とさず３次元流動モデルより領域分割数を１０分の１〜１００分の１に少なくした反応計算に使用するコンパートメントモデルを、必要なデータを相互に交換しながら解く。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学装置内の流動状態を考慮した反応解析に関し、３次元流動モデルで求めた流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率のデータから必要なデータを、化学装置内を表す解析空間の次元を落とさず領域分割数を３次元流動モデルより１０分の１〜１００分の１に少なくしたコンパートメントモデルへ受け渡して反応解析することを特徴とする、３次元流動モデルとコンパートメントモデルの２種類のモデルを連成した数値反応解析方法。
【請求項２】
前記３次元流動モデルとコンパートメントモデルとの連成において、さらにコンパートメントモデルで得られた濃度、反応速度、反応熱及びそれらをもとに求めた見かけ密度、粘度及び表面張力のデータを３次元流動モデルに受け渡すステップを含み、必要なデータを前記２つのモデル間で相互に交換しながら解くことを特徴とする請求項１記載の数値反応解析方法。
【請求項３】
３次元流動モデルの分割領域の座標データ、流体の密度、粘度、表面張力のデータ、流量、圧力及び温度の初期条件、境界条件及び時間刻み幅Δｔのデータを読み込み、３次元流動モデルの時間積分を行い、解析時間ｔ＝Δｔにおける流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率を求めるステップ１と、
前記３次元流動モデルにより求めた流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率を、コンパートメントモデルの入力データとして変換するステップ２と、
コンパートメントモデルの分割領域の座標データ、コンパートメントモデルの入力データとして前記ステップ２で求めた流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率と時間刻み幅Δｔのデータを読み込み、コンパートメントモデルの時間積分を行い、解析時間ｔ＝Δｔにおける濃度、反応速度及び反応熱を求めるステップ３と、
前記ステップ３で求めた濃度、反応速度及び反応熱をもとに３次元流動モデルの新しい入力データとなる見かけ密度、粘度及び表面張力を計算するステップ４と、
解析時刻を進めて前記ステップ１に戻り、前計算で求めた流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率を次の計算の初期値として用いて、新しい解析時刻での計算を前記と同様に行うことをコンピュータに実行させる、数値反応解析のプログラム。
【請求項４】
請求項３記載のプログラムを記録した媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学装置内の流動状態を考慮した反応解析を、より実現象に近く、かつ効率的に解析する数値反応解析方法、その方法を実行させる計算プログラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化学装置内の理想流れである完全混合流れや押出し流れでない非理想流れを解析する方法として数値流体解析法がある。数値流体解析分野では、有限差分法を用いて、小さな時間刻みをとり時間発展的に解析を行うことが多い。即ち、化学装置内を表す３次元の解析空間を小さな領域に分割し、この分割した領域に関して連続の式、運動方程式、エネルギー保存式といった流れを支配する微分方程式を差分化して解析を行う（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
しかし、この場合、安定かつ正確な計算を行うためには、実機スケールでは少なくとも数万個以上の領域分割数が必要になり、計算負荷が高いという問題がある。さらに、反応を考慮する場合、分割したそれぞれの領域に関して反応を表すモデルを組み込むので計算負荷がさらに高くなる。
【０００４】
一方、計算負荷が低い非理想流れである化学装置内の流動状態を考慮した反応解析に関して、化学装置内を表す３次元解析空間を１または２次元の解析空間に近似し、それを数個〜数１０個の領域で表し、それぞれの領域を完全混合槽とみなし槽間を繋ぐ流量を与えることで流動状態を考慮した反応解析を行う逆混合槽列モデルといったコンパートメントモデルを用いる数値反応解析方法がある（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００５】
しかし、コンパートメントモデルでは領域分割、領域間の流量、混相流の場合はそれを構成する相の体積分率などを経験的に決めざるを得ず、さらに反応に伴い見かけ密度、粘度及び表面張力が変化し流動状態が変化する場合の解析は困難である。
【０００６】
このように、従来の解析方法では、数値流体解析法に反応を表すモデルを組み込んだモデルか、または化学装置内を表す解析空間の次元を落としたコンパートメントモデルのいずれか一方を使用して解析を行っており、実現象に近く、かつ効率的に解析を進めることが難しいという問題点があった。
【０００７】
【非特許文献１】
標宣男，鈴木正昭，石黒美佐子，寺坂晴夫共著，「数値流体力学−複雑流れのモデルと数値解析−」，株式会社朝倉書店，１９９４年９月１０日，ｐ．１０４−１９６
【０００８】
【非特許文献２】
化学工学会編，「改定六版  化学工学便覧」，丸善株式会社，平成１１年２月２５日，ｐ．６２８−６３２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、化学装置内の流動状態を考慮した反応解析をより実現象に近く、かつ効率的に解析を進めることができる数値反応解析方法及び該方法を実行するためのプログラムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、化学装置内の流動状態を考慮した反応解析に関して、３次元流動モデル及びコンパートメントモデルのいずれか一方を使用するのではなく、流動に関しては連続の式、運動方程式、エネルギー保存式といった流れを支配する微分方程式を有限差分法で流体解析する３次元流動モデル、反応に関しては化学装置内を表す解析空間の次元を落とさず領域分割数を３次元流動モデルより１０分の１〜１００分の１に少なくしたコンパートメントモデルの２種類のモデルを連成して使用する数値反応解析方法である。さらに、本発明は、該解析方法を実行するためのプログラム及び該プログラムを記録した媒体である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
本発明では、まず、密度、粘度及び表面張力といった流体の物性値をもとに、化学装置内を数万個以上の領域に分割したそれぞれの領域について、連続の式、運動方程式、エネルギー保存式といった流れを支配する微分方程式を有限差分法で計算する３次元流動モデルにより流体解析を行い、流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率などの物理量を求める。流れ場の計算が終わった後、３次元流動モデルで得られた出力データを、化学装置内を表す解析空間の次元を落とさず領域分割数を３次元流動モデルより１０分の１〜１００分の１に少なくした反応計算に使用するコンパートメントモデルで使えるように、例えば平均をとるなどしてデータ変換を行う。
【００１３】
次に、変換した流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率などの反応計算を行うのに必要なデータを、コンパートメントモデルへの入力データとして、コンパートメントモデル側へ渡し、コンパートメントモデルで反応計算を行う。そして、反応計算が終わった後、コンパートメントモデルで得られた濃度、反応速度、反応熱及びそれらをもとに求めた見かけ密度、粘度及び表面張力などの出力データを次の刻み時間後の流れ場を計算する３次元流動モデルの入力データとして渡す。
【００１４】
こうして、連続の式、運動方程式、エネルギー保存式といった流れを支配する微分方程式を有限差分法で計算して流体解析する３次元流動モデルと領域分割数を３次元流動モデルより１０分の１〜１００分の１に少なくした反応計算に使用するコンパートメントモデルの２つのモデルの間で必要なデータを相互に交換しながら、２種類のモデルを連成して解き、化学装置内の流動状態を考慮した反応解析を行う。
【００１５】
ここで、コンパートメントモデルで得られた濃度、反応速度、反応熱をもとに求めた見かけ密度、粘度及び表面張力の変化が十分小さく、反応に伴う流動の変化が無視できる場合は、流動モデルからコンパートメントモデルへ１回データを受け渡して計算を実行することにより、数値反応解析を終了することもできる。
【００１６】
図１を参照すると、本発明を適用した化学装置内の流動状態を考慮した反応解析を行う計算プログラムの１例は、入力装置１、解析条件入力部２、解析計算部３、解析結果表示部４、表示装置５とから構成されている。ここで、解析条件入力部２は領域分割設定手段２−１、解析条件設定手段２−２とを有し、解析計算部３は流動状態解析計算部３−１、反応解析計算部３−２とを有している。なお、Ａはファイルである。
【００１７】
解析条件入力部２は、ユーザが入力装置１を通じて３次元流動モデルとコンパートメントモデル、それぞれの領域分割の生成条件と解析をするために必要な解析条件の設定とを行う部分である。領域分割設定手段２−１によって、ユーザは化学装置形状を表す解析領域内にｘ，ｙ，ｚ方向の座標軸を定め、その座標軸を用いてまず３次元流動モデルのそれぞれの分割領域の座標を求める。次に、３次元流動モデルで行った領域分割をもとに、３次元流動モデル用に分割した領域を、例えば、上下左右で一まとめにすることによって、化学装置内を表す解析空間の次元を落とさず領域分割数を３次元流動モデルより１０分の１〜１００分の１に少なくしたコンパートメントモデルで用いる分割領域を生成させ、それぞれの分割領域の座標を求める。
【００１８】
図２を参照すると、３次元流動モデルとコンパートメントモデルにおいて実線で囲まれた領域が、それぞれ３次元流動モデルと化学装置内を表す解析空間の次元を落とさないコンパートメントモデルを使用するために分割した領域である。化学装置内を表す解析空間の次元を落とさないコンパートメントモデル用に分割した領域は、３次元流動モデル用に分割した領域を、例えば、上下左右で一まとめにして構成したものである。その関係をコンパートメントモデル用に分割した領域の模式図において、コンパートメントモデル用に分割した領域を実線で、３次元流動モデル用に分割した領域を破線で示して表している。
【００１９】
また、解析条件設定手段２−２によって、ユーザは解析をするために必要な境界条件、初期条件、時間刻み幅Δｔ、密度、粘度及び表面張力といった物性値や気液混相流の場合は気泡径などのデータを用意する。
【００２０】
解析計算部３は、３次元流動モデルとコンパートメントモデルにより物理量を求める部分である。流動状態解析計算部３−１は、連続の式、運動方程式、エネルギー保存式といった流れを支配する微分方程式を差分化して時間積分を行い、指定した時刻での流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率などの物理量を求める部分である。反応解析計算部３−２は、流動状態解析計算部３−１で求めた物理量を入力データとして、反応計算に使用するコンパートメントモデルの時間積分を行い、指定した時刻での濃度、反応速度、反応熱、及びそれらをもとに求めた見かけ密度、粘度及び表面張力などの物理量を求める部分である。また、解析結果が、入力データで出力指定時刻になっているとき、求めた物理量をファイルＡに出力する。
【００２１】
解析結果表示部４は、解析計算部３で計算されたファイルＡにある物理量のデータを読み込んで、グラフや表の形式で表示装置５に表示する部分である。
【００２２】
図３は、図１で示した解析処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各図を参照して本実施例の動作を説明する。
【００２３】
まず、ユーザは、入力装置１から解析条件入力部２の領域分割設定手段２−１を起動し、化学装置内を表す解析領域上にｘ，ｙ，ｚ軸を定めてかつ化学装置内を表す解析領域の分割を行う。次にユーザは入力装置１から解析条件入力部２の解析条件設定手段２−２を起動して境界条件、初期条件、時間刻み幅Δｔ、密度、粘度及び表面張力といった物性値や気液混相流の場合は気泡径などの解析に必要な入力データを与える。
【００２４】
以上のように解析条件入力部２の処理が終わると、解析計算部３が動作を始め、以下に示す処理を実行する。
【００２５】
Ｓ１：解析条件入力部２で作成された３次元流動モデルの分割領域の座標データ、密度、粘度、表面張力といった流体の物性値、流量、圧力及び温度などの初期条件、境界条件及び時間刻み幅Δｔのデータを読み込み、３次元流動モデルの時間積分を行い、解析時間ｔ＝Δｔの流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率といった物理量を求める。
【００２６】
Ｓ２：Ｓ１で３次元流動モデルにより求めた流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率といった物理量を、コンパートメントモデルの入力データとして変換する。
【００２７】
例えば、コンパートメントモデルの入力データであるコンパートメントモデル用に分割した面での流量は、それを構成する３次元流動モデルの各分割面についてそれぞれ求められた流量を積算することで算出され、また、コンパートメントモデル用に分割した領域内の圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率は、それを構成する３次元流動モデルの各分割領域内についてそれぞれ求められた値の平均をとることで算出される。
【００２８】
Ｓ３：解析条件入力部２で作成されたコンパートメントモデルの分割領域の座標データ、コンパートメントモデルの入力データとしてＳ２で求めた流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率といった物理量と時間刻み幅Δｔのデータを読み込み、コンパートメントモデルの時間積分を行い、解析時間ｔ＝Δｔの濃度、反応速度及び反応熱といった物理量を求める。
【００２９】
Ｓ４：Ｓ３で求めた濃度、反応速度及び反応熱といった物理量をもとに３次元流動モデルの新しい入力データとなる見かけ密度、粘度及び表面張力といった物理量を計算する。
【００３０】
Ｓ５：今回の解析時刻が入力データで指定されたファイル出力指定時間ならば、流量、圧力、温度、混相流の場合はそれを構成する相の体積分率、濃度及び反応速度などの物理量をファイルＡに出力する。
【００３１】
Ｓ６：解析時刻が入力データで指定された時刻に達したならば、解析表示部４に制御を移す。
【００３２】
Ｓ７：解析時刻を進めてＳ１に戻り、前計算で求めた流量、圧力、温度、及び混相流の場合はさらにそれを構成する相の体積分率といった物理量を次の計算の初期値として用いて、新しい解析時刻での計算を同様に行う。即ち、Ｓ１からＳ６の処理を反復して、ｎステップの値からｎ＋１ステップの値を順次に求める（解析時間ｔ＝ｎ×Δｔ，ｎ＝１，２，…）。
【００３３】
解析表示部４では、ファイルＡに出力された流量、圧力、温度、混相流の場合はそれを構成する相の体積分率、濃度及び反応速度などの物理量のデータに基づいて、グラフや表を作成して表示装置５に表示する。例えば、入力データで指定した時刻での流線、濃度の濃度等高線を計算し、流線図、等高図を表示する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、化学装置内の流動状態を考慮した反応解析に関し、流れ場を正確に解析できる３次元流動モデルと、領域分割数が３次元流動モデルより少なく計算負荷が低い反応計算に使用するコンパートメントモデルの２種類のモデルを連成して解くので、より実現象に近く、かつ効率的な数値反応解析を行うことができる。
【００３５】
また、３次元流動モデルからコンパートメントモデルへ流量、混相流の場合はそれを構成する相の体積分率といった物理量で必要なデータを受け渡して解くことで経験的にそれらを決定する必要がなくなり、より正確な数値反応解析も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した化学装置内の流動状態を考慮した反応解析を行う計算プログラムの１例を示すブロック図である。
【図２】上記実施例の３次元流動モデルとコンパートメントモデルの領域分割の１例を示す模式図である
【図３】解析計算部の処理例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…入力装置
２…解析条件入力部
２−１…領域分割設定手段
２−２…解析条件設定手段
３…解析計算部
３−１…流動状態解析計算部
３−２…反応解析計算部
４…解析結果表示部
５…表示装置
Ａ…ファイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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