GeoChemFoam 適用例

Integrated numerical simulation of reactive bubble columns: A coupled approach with openFOAM and PhreeqC - ScienceDirect

AI要約

1. 背景
気泡塔リアクターは、化学、石油化学、生化学プロセスなど産業界で広く利用される多相流システムである。製造が容易で保守費用が低い利点がある一方で、逆混合が主な欠点とされている。地熱発電所の生産パイプも、水とガス気泡の共存という特性から気泡塔と見なすことができ、その動的な相互作用が重要となる。
しかし、従来の数値シミュレーション手法（Volume of Fluid, Eulerian–Eulerian, Eulerian–Lagrangian）は、それぞれ計算コストや個々の界面の追跡、大規模シミュレーションへの適用性などに課題を抱えていた。特に、気泡塔内の反応をモデル化する際には、簡略化された化学反応セットが用いられることが多く、実世界のHydrogeochemistryにおける複雑な反応を完全に捉えることが困難であった。
HydrogeochemicalモデルであるPhreeqCは、広範な熱力学データベースを持ち、複雑な化学反応（固相、ガス-水相互作用、酸化還元反応など）を扱うことが可能であるが、単独では多相流動や２次元以上の輸送プロセスを扱うことができない。また、既存のOpenFOAMとPhreeqCのカップリング手法（porousMedia4Foam, GeoChemFoam）は、これまでのところEulerian–EulerianやEulerian–Lagrangianといった多相流モデルには対応していない。
本研究は、このような背景から、多相流モデルと地化学モデルを統合し、反応性気泡塔のより包括的で現実的なシミュレーションフレームワークを開発することを目的としている。

2. 手法
本研究では、OpenFOAM (v2006) の「reactingTwoPhaseEulerFoam」ソルバーと、PhreeqCRMコードおよびGeoChemFoam (v-20-4) パッケージを組み合わせたEulerian–Eulerian多相流アプローチを採用した。

• 流体力学モデル:各相（気体、液体）について、連続の式と運動量保存式を解く。界面力（interfacial force）として、ドラッグ力（Ishii and Zuberモデル）、リフト力（Tomiyamaモデル）、仮想質量、壁潤滑、乱流分散を考慮。
• 化学種輸送モデル:化学吸着プロセスは輸送方程式を用いて実装され、有効拡散係数には乱流粘性も含まれる。
• 物質移動:ガス相から液相への物質移動は、2-film theoryに基づいてモデル化。物質移動係数に加え、化学反応の影響を考慮するエンハンスメントファクターが適用される。気泡ダイナミクスが物質移動に与える影響をモデル化するために、動的Sherwood数も利用。
• 化学反応:液相での化学反応は、OpenFOAM-PhreeqCカップリングを介してPhreeqCRMによって計算される。これにより、簡略化された反応セットではなく、炭酸系に加えてカルシウム-炭酸系、マグネシウム-炭酸系、ナトリウム-炭酸系など、PhreeqCの熱力学データベースで利用可能な広範な水地化学反応を統合的に扱うことが可能。
• 計算設定:差分方程式の離散化スキームとして、ddtSchemesにEuler、gradSchemesにGauss linear、divSchemesにGauss upwind、laplacianSchemesにGauss linear correctedがを利用。

3. 結果
CO2を高pH溶液に注入するケース（Darmana et al. [19]の確立された試験ケース）を用いて検証。

• CO2速度と流動特性:気泡塔の軸方向におけるCO2速度のシミュレーション結果は、実験データと良好な一致を示した。ガス体積分率は底部で最も高く、高さとともに減少し、S字型の軌道を示す。気体速度は底部で最も高く、上方へ減少する傾向が見られた。
• 化学種濃度とpH値:CO2-およびCO3-のシミュレーション濃度は、測定値と比較して低い値を示した。これは、総無機炭素量が実験よりも少ないか、物質移動率が過小評価されている可能性を示唆している。pH値の経時変化では、シミュレーションは実験よりも低下が速く、最終的なpHレベルも低い結果となった。これは、シミュレーションにおける物質移動率の過大評価、または実験と比較して気泡径の差異がある可能性を示唆している。
• パラメータの影響:見かけのガス速度が増加すると、液体のpHはより速く低下。ガス入口面積が大きいほど、pHの低下が速まることが示された。

実世界例（ミュンヘンの水道水へのガス注入）:

• CO2注入: CO2(aq)濃度は時間の経過とともに増加し、pHは低下。これにより、溶液は方解石とアラゴナイトに対して過飽和状態（SI値が0を超える）となり、平衡状態に達することが示された。
• 空気注入: CO2ストリッピングによる鉱物沈殿の可能性を評価するために、空気注入シナリオも分析され、種濃度の変化が示された。

4. 考察
本研究で開発されたモデルは、多相流動特性と化学反応の複雑な相互作用を効果的に捉える能力を示した。気泡のダイナミクスが物質移動に与える影響や、物理的・幾何学的パラメータがpH値に与える影響を研究することで、様々な条件下での気泡塔リアクターの挙動理解が深まった。
ただし、シミュレーション結果と実験データの比較では、化学種濃度やpHの経時変化において一部差異が見られた。これは、シミュレーションにおける物質移動率の評価、またはモデルが気泡のブレークアップや合一効果を考慮していないことによる気泡径分布の非現実性などが影響している可能性がある。
PhreeqCとのカップリングにより、従来の簡略化された化学反応セットでは不可能だった、実世界の水溶液における広範な水地化学反応を統合的にモデル化できるようになったことは大きな進歩である。このフレームワークは、地熱発電のようにhydrochemical reactionが技術的な安全性や経済的成功に重要な応用分野において、貴重なツールとなることが期待される。

5. 新規性
研究の主な新規性は以下の点にある。

• OpenFOAMの流体力学モデル（Eulerian–Eulerian二流体モデル）とPhreeqCの地化学モデルを統合した、新しいカップリングアプローチを提示した。これは、既存のOpenFOAM-PhreeqCカップリングが対応していなかった、多相流モデルとの組み合わせを実現したものである。
• PhreeqCの広範な熱力学データベースを活用することで、炭酸系だけでなく、カルシウム-炭酸系、マグネシウム-炭酸系、ナトリウム-炭酸系など、実世界の複雑なhydrochemical reactionを包括的にモデルに組み込むことを可能にした。従来の簡略化された反応セットを用いた研究との差別化が図られる。これにより、地熱・電力生産など、hydrochemical reactionが技術的安全性と経済的成功に不可欠な分野への応用可能なフレームワークを提供する。

GeoChemFoam の適用例です。固相との反応は使われていませんが、容易なのでしょうね。