COMSOL Multiphysics^® 6.4 リリースハイライト

COMSOL Multiphysics^® バージョン 6.4 では, 化学反応工学モジュールを利用のユーザー向けに, ラージエディシミュレーション (LES) を用いた反応流のサポート, 粒子凝集および破壊モデリング, そして固相消費とベッド補充を伴う連続オペレーションのための新機能が追加されました. これらのアップデートの詳細については, 以下をご覧ください.

反応流のラージエディシミュレーション (LES)

反応流 機能が LES に対応し, 乱流反応系のモデル化の精度を飛躍的に向上させました. LES を 化学, 化学種輸送 および 伝熱 (流体) の各インターフェースと連成することで, 気体および液体中における混合, 伝熱, および化学反応の複雑な相互作用を詳細に捉えることができます. このアプローチでは, 反応熱, エンタルピー拡散, および質量流束を考慮し, 残差ベースの LES モデルによって熱および物質輸送の予測精度を強化します. 温度依存性の流体特性および化学特性を組み込むことで, 濃度, 反応速度, および温度場の非常に現実的な解析が可能になります. 触媒反応器や複雑な混合プロセスの解析においても, LES ベースの反応流モデルは, 従来の乱流モデルでは見落とされがちな重要な現象を明らかにします. なお, LES 機能を使用するには CFD モジュールが必要です.

非等温 反応流 機能を用いて計算された生成物の濃度分布. LES 解析に物質輸送と伝熱を組み合わせています. 反応物は垂直パイプから流入し, 矩形ダクトの左側から流入する別の流れと反応します.

粒子凝集と破壊

医薬品製造から先端材料加工に至るまで, 粒子の成長, 形態, 破壊を正確にモデル化することは, プロセス最適化にとって重要です. 粒子凝集と破壊に関する新たなサポート機能により, 結晶化, 析出, および造粒プロセスにおける粒子サイズ分布の変化を現実的にシミュレーションすることが可能になります. この機能は, 沈殿および結晶化 インターフェースに実装されており, Smoluchowski 凝集方程式と破砕方程式を同時に解くことで, 粒子ダイナミクスを厳密に記述します.

乱流によって誘発されるナノ粒子の凝集モデルを用いて計算された, 時間経過に伴う粒子濃度の変化. このモデルは, 粒子サイズ分布の変化も同時に予測します.

移動ベッドリアクター機能

新しく追加された移動ベッドリアクター機能により, 固体相が連続的に消費および補充される不均一系反応器をモデル化できるようになりました. この機能により, 接触分解, 気体-固体反応, バイオマス変換など, ベッドの移動が反応器性能に大きく影響するプロセスの詳細な解析が可能になります. この機能は, 連続オペレーション中の固体相の動的な挙動も考慮しているため, 産業規模プロセスにおける効率, 選択性, および運転条件の解析に非常に有効なツールとなります.

周期境界条件

ダルシーの法則 および リチャーズ方程式 インターフェースに, 新しい 周期境界条件 機能が追加されました. これにより, 2つ以上の境界間の流れに周期性を容易に適用できます. さらに, 圧力ジャンプを直接指定するか, 質量流量を指定することによって, ソース側境界と行先側境界の間に圧力ジャンプを設定することも可能です.

新しい 周期境界条件 機能を使用して, 球体の周期的な配列で構成される多孔質媒体の浸透率を推定します.

自由および多孔質流れカップリングにおける圧力ジャンプオプション

自由および多孔質流れカップリング 機能に, 自由流体領域と多孔質媒体領域の境界における圧力ジャンプを考慮する新しいオプションが追加されました. これにより, 例えば, 多孔質スペーサー材で支持された半透膜における浸透圧や, 多相流における毛細管圧による圧力ジャンプなどをモデル化することが可能になります.

脱塩装置内の薄い半透膜における浸透圧をモデル化するために, 自由および多孔質流れカップリング における新しいチェックボックス 自由-多孔質境界を跨ぐ圧力ジャンプを含める を使用します.

新規および更新されたチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics^® バージョン 6.4 では, 化学反応工学モジュールにいくつかの新規および更新されたチュートリアルモデルが追加されました.

攪拌タンクリアクターによる抗体薬物複合体の製造

4枚翼攪拌子付きタンク反応器内の乱流反応流のシミュレーション. 抗体–薬物複合体濃度の等値面およびコンターを可視化することで, 混合効率や反応性能に関する貴重な知見を得ることができます.

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stirred_tank_adc_production
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機械加工工具インサートへのTiNの化学蒸着

切削インサートへの TiN 化学蒸着 (CVD) プロセスにおける 速度場 (白い矢印), 堆積厚み, および正規化された TiCl₄ 濃度. このプロセスにより, 耐摩耗性が向上し, 工具寿命が延びます.

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tin_cvd_reactor
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ナノ粒子の乱流凝集

乱流誘起によるナノ粒子凝集モデルを用いて計算した, 4つの粒子サイズ範囲における10秒後の粒子濃度. これらの結果は, 乱流条件下での粒子集団の時間変化を示しています.

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turbulent_aggregation
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金属水素化物タンクへの充填

金属水素化物タンクへの充填時における水素と金属の比率 (体積プロット) および水素分圧により色付けされた流れ場 (ストリームラインプロット). このモデルは, 吸収速度論と熱力学を考慮しながら, 流れ場, 濃度場, 温度場を計算しています.

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metal_hydride_tank
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水アセトン液滴の対流蒸発

大理石基板上の水アセトン混合液滴の蒸発モデル. このプロットは, アセトンの質量分率, 基板温度, およびアセトンの分圧によって色分けされた流れ場のストリームラインを示しています.

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droplet_evaporation_water_acetone
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逆浸透法による淡水化

逆浸透装置における膜表面の濃度分布. このモデルは, 高圧で水を通す螺旋状に巻かれた半透膜で構成された逆浸透による海水淡水化装置を表しています. 膜は塩分を保持するため, 透過側では淡水が得られ, 濃縮側では高濃度の塩水が得られます.

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reverse_osmosis_desalination
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