Simulation-based study on two modes tesla-valve type reactor for chemical looping process on gas-solid fluidization

あなたは完璧なパンを焼こうとしていると想像してください。しかし、あなたの前には魔法のオーブンがあります。それは、小麦粉をパンへと瞬時に変え、その後、小麦粉と混ぜ合わせることなく、何度も何度もパンを小麦粉へと戻すことができるのです。これは、「ケミカル・ループing（化学的ループ）」と呼ばれる技術の背後にある夢のような仕組みであり、科学者がエネルギー生産をクリーンにするために用いているハイテクな調理法です。巨大で散らかった火の中で燃料を燃やす代わりに、この技術は、空気のシャトルバスのように、一方の端からもう一方の端へと酸素を運ぶための、砂のような小さな固形粒子を使用します。目標は、エネルギーをよりクリーンで効率的にすることです。しかし、ここが難しいところです。これらの「シャトルバス」（固形粒子）は、パイプの中や角をスムーズに流れる必要があります。もし粒子が角で引っかかったり、行き止まりに積み上がったりすると、プロセス全体が停止してしまいます。それは、急なカーブで車が渋滞を起こし続ける高速道路を走ろうとしているようなものです。スピードを上げようとすればするほど、衝突事故の状況は悪化してしまいます。科学者たちは、たとえ経路が曲がりくねっていて複雑であっても、粒子を動かし続けさせるようなパイプを設計する方法を探してきました。

ここで、イジュン・リュー氏とそのチームによる新しい研究が登場します。彼らは、「テスラ弁」にインスパイアされた非常に珍しいパイプ設計をテストすることに決めました。ニコラ・テスラといえば交流電流を発明した人物として知られていますが、彼は流体の「一方通行」も設計しました。廊下にループや行き止まりが連続している様子を想像してみてください。もし「順方向」に廊下を進むなら、ループは簡単に通り過ぎることができます。しかし、もし後ろに下がろうとすれば、そのループはあなたに非常に長く、曲がりくねった経路を強いるため、元の場所に戻ることは極めて困難になります。研究者たちは、このテスラ弁の形状をしたリアクターのコンピュータモデルを構築し、ガスが粒子を押し進める場合と、粒子が逆方向に押し戻そうとする場合に、粒子がどのように振る舞うかを検証しました。彼らは実験室で物理的な機械を作ったのではなく、CPFDと呼ばれる強力なソフトウェアを使用して、数百万個の微細な粒子がパイプ内を移動する様子をシミュレーションし、ガスが前方に吹くときと、粒子が後方に押し戻されるときの挙動をテストしました。

チームは、テスラ弁リアクターがガスの吹き方によって大きく挙動が変わることを発見しました。ガスが「順方向」に流れるとき、粒子は主にショートカットを選び、パイプの直線部分を猛スピードで通り抜け、長い曲がりくねったループは無視します。これは問題を引き起こします。バルブの角やU字型の曲がり角が「デッドゾーン（死角）」となり、そこで砂が積み上がり、動きが止まってしまうのです。これは、行き止まりの道路で雪が積もる様子に似ています。研究者たちは、単にガスを強く吹く（ガス速度を上げる）ことで、この雪だまりをいくらか取り除くことはできるものの、問題を完全に解決するまでには至らないことを突き止めました。

しかし、「逆方向」モードは驚くほど面白い結果を示しました。ガスが逆方向に吹くとき、この設計は粒子にショートカットではなく、長い曲がりくねった経路を通ることを強制します。ほとんどの場合、粒子は依然として行き詰まりましたが、チームは「スイートスポット（最適条件）」を見つけ出しました。非常に小さな粒子（細かい砂程度の0.05〜0.08 mm）を使用し、20メートル毎秒という非常に高い速度でパイプ内に吹き付けると、粒子はようやく長いルートを最後まで通り抜けることに成功したのです。この特定のシナリオでは、「デッドゾーン」は消失し、粒子は可能な限り最も長い経路に沿ってスムーズに流れました。これは、彼らが実行しようとしている化学反応にとって、実は非常に優れた状態です。

しかし、まだ課題もありました。完璧な速度と粒子サイズを備えていても、角の部分には依然として頑固な砂の山が形成されました。これを解決するために、研究者たちは「パージガス」を追加することを試みました。これは、トラブルが発生している場所に直接吹き付ける、小さな追加のエアジェットのようなものです。部屋の隅に立っている友人が、メインの交通の流れを妨げないように、リーフブロワー（送風機）で埃を吹き飛ばしている様子を想像してください。彼らのシミュレーションによれば、これらのエアジェットを追加することは素晴らしい効果をもたらし、順方向と逆方向の両方のモードにおいてデッドゾーンを解消することができました。

では、これらはすべて何を意味しているのでしょうか？ この研究は、テスラ弁型のリアクターがケミカル・ループingにおいて有望なアイデアであることを示唆していますが、それは「作ってそのまま放置できる」ような解決策ではありません。それは、適切なサイズの砂、非常に高いガス速度、そして流れを維持するための追加のエアジェットによる助けといった、非常に具体的な条件を必要とします。研究者たちはコンピュータの結果に自信を持っていますが、現実世界の物理的なリアクターをまだ構築していないことも認めています。彼らは次に、現実の世界がデジタルシミュレーションと全く同じように振る舞うかどうかを確認するために、実機を構築する予定です。それまでは、この研究はエンジニアに対し、次世代のクリーンエネルギーリアクターを設計するための強力な設計図を提供しており、「物事を動かし続けるためには、時には遠回りを強いるような経路を設計する必要がある」ということを証明しています。