1. 精製プロセスにおけるイオン液体の応用
石油精製は、1世紀以上にわたって世界の経済発展と技術進歩を牽引してきた重要な技術の1つです。製油所で使用されている技術の多くは成熟していると考えられていますが、業界は常にプロセスの改善、環境への影響の低減、安全性の向上、コスト削減を達成する方法を模索しています。特に、水素化脱硫（HDS）、水素化脱窒素（HDN）、水素化脱酸素（HDO）およびアルキル化の既存技術の改良に大きな焦点が当てられています。そのユニークな物理的・化学的特性と、従来使用されてきた溶媒や触媒を凌駕する環境上の優位性から、このような精製プロセスにおけるイオン液体への関心は、近年飛躍的に高まっています。 [1]. IL ベースのアルキル化触媒は、従来の HF ベースの技術に関連する腐食 (応力腐食割れなど) や安全性、操作性といった大きな課題を回避しながら、効率的なアルキル化を促進することが証明されています。アルキル化では通常、硫酸やHFなどの触媒を使用して高オクタン価ガソリンを製造します。しかし、HFの使用はフィラデルフィア製油所での爆発に関連しています。米国化学安全委員会（CSB）は、HF使用に関する安全規制の更新を求めています。イオン液体（IL）を使用した燃料油の抽出脱硫（EDS）は、ここ数十年で集中的に研究されており、HDSの代替または補完的な方法として有望視されています。このプロセスは、高温、高圧、貴金属触媒と水素の必要条件といった過酷な条件下で運転されます。この既存技術を使用すると、鋼管が高温水素アタック（HTHA）故障を起こしやすくなる可能性があります。HTHA（「メタン反応」と呼ばれることもあります）は、鋼製圧力容器内に含まれる気体の水素分子と、鋼製マトリックスまたは炭化物内にある炭素原子との間で高温で発生します。この反応中にメタン分子が生成されます。この現象は、表面脱炭による機械的特性の低下や、主に粒界に存在するメタン気泡による欠陥の形成につながります。Tesoro Anacortesの事故は、メンテナンス停止後の製油所の「ナフサ水素化分解装置」の始動中に発生しました。
物理的・化学的CO2回収、ガス分離、液液抽出、抽出蒸留、冷凍サイクル、バイオリファイナリーなど、ILの主要なアプリケーションの解析に、ロバストなシミュレーション手法が適用されています。 [2].
2. バイオディーゼル製造の数値シミュレーション
渦流散逸モデル(EDM)とレイノルズ応力モデル(RSM)を組み合わせて、バイオディーゼル製造の数値流体力学シミュレーションを行いました。計算されたバイオディーゼル収率は実験結果とよく比較され [3].Mekala 氏は，ANSYS Fluent コードを使用して，充填床反応器内の流体流れ，熱および物質移動の輸送方程式を解きました． [4].この研究では、高沸点流体を使用してオレイン酸とメタノールをFAMEに変換するエステル化反応器のマルチフィジックス設計を行いました。FAMEのエステル化反応を維持するために必要な熱を供給するために、フェニルナフタレンが提案されたのはおそらく初めてでしょう。 [5]. 本研究の枠組みでは、イオン液体を溶媒およびエステル化反応の触媒として有機反応に応用しました。高沸点流体の優れた特性は、石油・ガス産業における進歩とともに、エステル化反応器を加熱するための有機コンセプトをより適切かつ安全なものにしています（水が液体金属と接触すると水蒸気爆発の危険性があります）。COMSOL Multiphysics コードが採用され、連続、流体流れ、熱伝達、拡散と化学反応速度論方程式を同時に解きます。
3. 結果セクション
図1は、t = 20,000 sにおけるエステル化反応器内の3次元温度場です。
図 1： t=20,000秒におけるエステル化反応器内の温度場の3Dプロット。
図1から、反応器下部の温度が上部の温度よりも高いことがわかります。これは、吸熱性のエステル化反応により、フェニルナフタレン液体から供給される熱が消費されるためです。なお、イオン液体と反応物（オレイン酸とメタノール）の熱伝導率は低い値になっています。図2に反応器内の3次元FAME濃度場を示します。
図 2： エステル化反応器内のFAMEの濃度場の3Dプロット。
図2は、FAME転化率が約100％であることを示しています。同様の値は、Ref. [6] 図 3 は、反応器の高さに沿った軸方向の FAME 濃度を示しています。
図3. 温度160℃におけるフェニルナフタレン液のエステル化反応器の高さに沿ったFAME濃度の軸方向プロット。
図3は、FAME濃度が時間とともに増加することを示しています。これは、イオン液体と反応物（オレイン酸とメタノール）の熱伝導率が低いためです。
4.結論
本論文では，イミダゾリウムイオン液体を適用したバイオディー ゼル製造の高度な CFD シミュレーションを紹介しました．COMSOL ソフトウェアは、質量保存（連続性）、流体流れ（ナビエ・ストークス）、熱伝達、および拡散とエステル化反応輸送方程式を同時に解きます。その結果、エステル化プロセスを維持するために必要な熱流束を提供できることが示されました。メタノールとオレイン酸の濃度は反応器軸に沿って減少することがわかりました。FAMEの質量分率は、エステル化反応器の軸に沿って増加します。これは、吸熱反応が熱を消費するためです。反応器の内部および外部表面は、フェニルナフタレン高沸点流体から供給される熱にさらされています。エステル化反応器内で発生する水の沸騰と蒸発を避けるため、エステル化反応器内の圧力は700kPaに設定されています。なお、T＝160℃における水の飽和圧力は620kPa。エステル化反応中に発生する水滴は気体よりも重いため、落下して底部から抜き出されます。主に反応器入口でイオン液体と反応する可能性があります。さらに、加熱システムが故障した場合（電源の故障やフェニルナフタレン液ポンプ内部の技術的な問題による）、蒸気がエステル化反応器内で凝縮し、水泡の発生につながり、エステル化反応器への熱伝達がさらに低下する可能性があります。そのため、エステル化反応器の正常な運転再開が困難になる場合があります。高圧をかけることで、エステル化反応器の運転再開が容易になります。水とイオン液体の副反応が起こる場合があります。この問題に対処するため、水を除去します。石油コークスバーナーは、エステル化反応器に必要な熱流束を供給することができます。ディーゼルやバイオディーゼル燃料を製造するために、この反応器をディレイドコーカーユニット（DCU）の近くに設置することも可能です。
この研究についての詳細は参考文献 [5].
5.参考文献
[1] Haifa Ben Salah, Paul Nancarrow, Amani Al-Othman, Ionic liquid-assisted refinery processes – A review and industrial perspective, Fuel, Volume 302, 2021、 https://lnkd.in/dYf4X79V.
[2] Jose Palomar, Jesús Lemus, Pablo Navarro, Cristian Moya, Rubén Santiago, Daniel Hospital-Benito, and Elisa Hernández Chemical Reviews, 2024 124 (4), 1649-1737、 https://lnkd.in/d2U4ExbR
[3] Mohiuddin, A.K.M.; Adeyemi, N. Numerical Simulation of Biodiesel Production Using Waste Cooking Oil.In Proceedings of the ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition IMECE2013, San Diego, CA, USA, 15-21 November 2013、 https://asmedigitalcollection.asme.org/IMECE/proceedings-abstract/IMECE2013/V08AT09A003/261194
[4] Mekala, S.J. CFD Studies of Reactive Flow with Thermal and Mass Diffusional effects in a Supercritical Packed Bed Catalytic Reactor.Ph.D. Thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain, 2016、 https://upcommons.upc.edu/handle/2117/113679.
[5] 高沸点フェニルナフタレン液加熱による脂肪酸メチルエステル（バイオディーゼル）エステル化反応器の熱流動と熱化学設計. 流体 2022, 7, 93, https://www.mdpi.com/2311-5521/7/3/93#B13-fluids-07-00093.