Barracuda Virtual Reactor

製品紹介

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概要

Barracuda Virtual Reactor （略称：Barracuda、バラクーダ）は、流動層のような粒子-流体の複合的な連成挙動を比較的短時間でシミュレーションすることのできる解析ソフトウェアです。粒子-流体の連成計算にMP-PIC法を用い、GPU並列技術を用いた効率的なCFD解析がおこなえます。

流動床反応炉などの粒子‐流体システム装置内で進行する熱流体・混相流・粒子・化学反応の3次元過渡現象を、現実的な計算時間 （およそ数時間※） でシミュレーションでき、化学プラント機器の設計、スケールアップ、プロセス最適化、トラブルシューティングに用いられます。
※ 使用する計算機環境や解析モデルによって計算時間は異なります。

Barracudaが得意とするシミュレーションの典型例を以下に示します；

  • 実際の粒子数と粒子径分布を用いた粒子-流体連成解析
  • コールド試験/ホット試験/スケールアップの解析
  • 化学反応、粒径成長、粒子乾燥、沈殿・再浮遊、エロージョンを伴う解析

FCC触媒再生器の混相流シミュレーション
（左から）触媒密度、触媒温度、酸素モル分率、一酸化炭素 PPM

混相流解析ソルバー機能

Barracudaには2つのソルバーが内含されています。

≪気相・粒子≫ソルバー

対象：粒子を含む気相領域の解析　（循環流動層など）

  • 圧縮性流れの計算
  • 気相と分散相（粒子，液滴）中で扱える
  • 物質の数は無制限
  • 粒子の化学種の数は無制限
  • 多成分からなる液滴
  • 完全な粒子径分布（PSD）
  • 熱計算
  • 化学反応

下図はGas-Solidソルバー適用例（モデル 径5.7ｍ、高さ22.9ｍ）

 

≪蒸気・液相・気相≫ソルバー

対象：粒子および気泡を含む液相領域の
解析　（気泡塔など）

  • 非圧縮流れの計算
  • 気相・液相・固相（VLS）系
  • 流体と分散相（粒子，気泡）中で扱える物質の数は無制限
  • 粒子の化学種の数は無制限
  • 気泡の化学種の数は無制限
  • 完全な粒子径分布および気泡径分布
  • 熱計算
  • 化学反応

左図は気泡塔の Vapor-Liquid-Solid ソルバ例
（モデル径 3.6m、高さ36.6m）

 

  • 基本構成

    • GUI プリプロセッサ (STLリーダー, 格子生成)

    • ソルバー（粒子解析＋流体解析＋熱解析）

    • Tecplot for Barracuda (専用ポスト・プロセッサ)

  • オプション

    • 化学反応オプション

    • 並列計算オプション（NVIDIA GPUに対応）

  • OS: Windows 11 または Ubuntu Linux

  • CPU: Intel i9

  • RAM: 128 GB

  • GPU(s): NVIDIA RTX 6000 Ada

  • OS hard drive: 4 TB SSD

  • Data hard drive: 2 x 12 TB HDD

最新情報　https://cpfd-software.com/solutions/barracuda-virtual-reactor-system-requirements/

テクノロジー解説

MP-PIC (Multi-Phase Particle In Cell) 　粒子-流体, 粒子-粒子の相互作用モデル

Barracuda Virtual Reactorは、粒子-流体, 粒子-粒子の相互作用モデルとしてMP-PIC法を採用しています。流体と粒子の両方のフィールドが重要となる流動床システムやその他のアプリケーションにおいて、粒子相の離散的なラグランジュ定式化を保持しつつ、工業規模レベルの数兆個（またはそれ以上）の粒子に拡張できるように定式化され、効率的な計算スキームで流れ場、熱収支、化学反応の計算を行います。
粒子-流体, 粒子-粒子の相互作用モデル
MP-PIC 法のコンセプト

  •  粒子間で衝突が生じる確率を圧力モデルで表現します。

    粒子同士の衝突を直接計算しないため計算時間がかからない

     

  • 粒子-流体間の相互作用は双方向カップリングで計算されます。

    流体は粒子の挙動に影響を与える（流体抵抗）

    粒子は流体の挙動に影響を与える（移動,圧力降下）

リファレンス：
　The multiphase particle-in-cell (MP-PIC) method for dense particulate flows, P.J. O'Rourke, International Journal of Multiphase Flow, Vol 22, 1996
　An incompressible two-dimensional multiphase particle-in-cell model for dense particle flows, Snider D M; O`Rourke P J; Andrews M J, LA--13280-MS; ON: DE97008004, 1997
　An Incompressible Three-Dimensional Multiphase Particle-in-Cell Model for Dense Particle Flows, D.M. Snider, Journal of Computational Physics, Vol 170, 2001

適用分野とアプリケーション　

Barracuda は、FCCU/精製、石油化学、プラスチックの高度リサイクル/ケミカルリサイクル、廃棄物エネルギープロセス、ガス化、熱分解、セメント焼成、ポリシリコン製造、二酸化チタン製造、材料加工、化学、発電、クリーンテクノロジー、再生可能エネルギー、一般/応用流体研究などのアプリケーション分野で活用されています。

流動接触分解装置 FCCU

流動接触分解装置 (FCCU) は、カスタマイズ可能な選択性でさまざまな原料を処理する柔軟性を提供し、幅広い製品を生産する重要な装置です。流動接触分解装置の性能が低いと、製油所のパフォーマンスと経済性に悪影響を及ぼす可能性があります。

Barracudaは、流動接触分解装置の信頼性と性能を向上させる標準ツールとして広く普及しています。Barracudaは、再生器、ストリッパー、ライザー、サイクロン、スタンドパイプなど、流動接触分解装置を構成する主要コンポーネントのすべてをリーズナブルに解析することのできるシミュレーションソフトウェアです。

FCCUでは、以下の目的でBarracudaによるシミュレーションがおこなわれます；

  • パフォーマンス低下の根本原因の特定
  • 仮想テストによるターンアラウンドリスクの低減
  • 追加の最適化機会の特定
  • 情報に基づいた迅速な技術開発とスケールアップの実現
  • デジタル資産による運用準備の維持


精製事業者は、 Barracudaを用いて次のような問題に対処しています；

  • アフターバーン
  • 有害物質 (NOx、SOx、COなど)の排出量管理
  • 触媒損失
  • エロージョン
  • 触媒循環安定性
  • ガス/触媒の均一性/分布不良
  • ストリッパー/スタンドパイプの圧力バランス調整
  • フィード分配、気化、ライザーの性能
  • 圧力バランスとスループットの制限
  • 技術設計・評価

　　FCCUについてもっと見る…（CPFD社のWebページへリンク）

 

 

石油化学製品 Petrochemicals

石油化学製品は、現代の生活に欠かせない構成要素です。注射器やマスク、 食品容器、スマートフォンから風力発電タービンに至るまで、多くの工業製品が化成品パーツに依存し、安心、安全で豊かな生活を支えています。

Barracudaは、グローバル石油化学産業がこれら分子レベルの素材を効率的かつ持続可能な方法で製造（原材料・再生材の処理、ならびにプラスチック・廃棄物資源の再処理の両方で）するのに役立っています。

石油化学および石油化学関連の応用分野のサンプルは以下の通り；

  • ポリオレフィン製造（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）
  • プラスチックの高度リサイクル／ケミカルリサイクル
  • アクリロニトリル製造
  • 触媒脱水素プロセス（エタン、プロパン、イソブテン原料）
  • オキシ塩素化リアクター（VCM製造など）


これらアプリケーションの中心は、流動床、循環流動システム、その他の流動粒子プロセスなどの流動層システムです。 Barracudaは、既存の石油化学プロセスのトラブルシューティング、スケールアップおよび環境影響の削減のためのツールとして、新たな持続可能性と循環経済の取り組みに関する研究・開発および実装に役立っています。

Barracudaは以下の用途に使われています；

  • 技術開発、商業化、知的財産保護のスピードアップ
  • パートナー、クライアント、投資家に技術的メリットを効果的に伝える
  • スケールアップに向けた確信あるエビデンス
  • 性能不足の根本原因（転化率、選択性、ホットスポット、触媒損失、触媒失活など）の特定
  • バーチャルテストによるターンアラウンドリスクの低減
  • 最適化の機会を特定（流体力学、反応性能、リアクター設計など）
  • 稼働時間と信頼性の向上
  • 有害物質排出と非効率運転の最小化


石油化学製品についてもっと見る…（CPFD社のWebページへリンク）

 

ガス化　Gasification

ガス化は、炭素含有燃料を加熱して利用可能な熱量を有する気体製品に変換するプロセスです。 ピロリシス、部分酸化、水素化などはガス化に分類される最も一般的なプロセスの一部ですが、主流の技術は部分酸化プロセスです。 合成ガス（シンガス）は、酸素または蒸気を使用して燃料を部分酸化する際に生成される主要な製品であり、通常は燃料源として使用されます。 シンガスは、統合ガス化複合サイクル（IGCC）プラントのように直接使用される場合や、他の燃料や製品の原料として使用される場合があります。石炭、ペトコーク、バイオマス、または都市固形廃棄物（MSW）などの固体燃料のガス化は、同じ固体燃料の燃焼のような従来の技術ルートに比べて、エネルギーや製品へのより環境に優しいルートを提供します。 は、流動化や他のガス-固体システムを利用する産業規模のガス化炉の設計、最適化、シミュレーションのための業界標準ツールであり、性能と信頼性の向上を実現します。

Barracudaシミュレーションは通常、次のような目的で使用されます；

  • 性能不足の根本原因の特定
  • 設計、構成、運転条件の変更案の仮想テスト
  • 最適化の機会の特定
  • 迅速な技術開発、スケールアップ、商業化、知的財産権の保護
  • 蒸発、ガス粒子流体力学、反応経路、および合成ガス組成に対する原料および投入熱の相互関連効果の調査
  • 熱的、化学的、あるいは粒子混合／偏析の不均一性の特定
  • 合成ガスの脱硫


ガス化についてもっと見る…（CPFD社のWebページへリンク）

マテリアル＆化学製品　Materials and Chemicals

流動層に代表される流体粒子技術は、材料および化学プロセス産業で広く採用されています。 Barracudaは、流体粒子システムの信頼性とパフォーマンスを向上させ、同時にCO2やその他の排出ガスの抑制、エネルギー消費の最小化に貢献します。

マテリアルおよび化学プロセス分野のサンプルは以下の通り；

  • セメント製造：焼成炉、予熱器、サイクロンなど
  • ポリシリコン製造：直接塩素化、水和塩素化、シラン沈着など
  • チタン塩素化装置および酸化装置
  • 鉱石焼成炉
  • メラミン製造
  • 鉄製造（例：Finexプロセス）


このようなプロセスには通常、複数の粒子種、化学反応、高温、強い熱勾配、粒子偏析効果、運転ユニットからの限られたデータ利用可能性などが含まれます。Barracudaシミュレーションは通常、次のような目的で使用されます；

  • 低性能の原因の特定
  • 設計、構成、または運転条件の変更案の仮想テスト
  • 最適化機会の特定
  • エネルギー消費の最小化
  • 代替燃料の使用と効果の検討
  • カーボンフットプリントと排出量の削減
  • 技術開発、スケールアップ、商業化、および知的財産保護の迅速化


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発電　Power Generation

現代社会は信頼できるエネルギーの供給に依存しており、次世代の子供たちはクリーンで持続可能な未来を享受するべきです。Barracudaは、最大稼働時間を確保したよりクリーンで効率的な発電アプリケーションの実現に貢献します。燃料が石炭、バイオマス、廃棄物由来、石油コークスまたは他の代替燃料であっても、ガス化プロセスの有無にかかわらず、Barracudaは既存の発電プラットフォームから最大効率を引き出し、次世代技術の研究、開発、商業化、スケールアップの加速に寄与します。

発電アプリケーションの例を以下に列挙します；

  • 循環流動層ボイラー
  • ガス化（例：IGCC）
  • 排ガス脱硫（FGD）
  • その他の排出制御システム/技術
  • 粉体燃料（石炭、バイオマスなど）の空気搬送
  • 侵食、腐食および灰の堆積挙動


これらのアプリケーションの中心は、流動床（循環流動床およびバブリング流動床）、空気輸送システム、スプレーシステム、およびその他の流体粒子プロセスを含む気体粒子システムです。 Barracuda は、世界中のクライアントから以下の発電アプリケーションの標準ツールとなっています；

  • パフォーマンス低下の根本原因の特定
  • ターンアラウンド時のリスクをバーチャルテストで低減
  • 信頼性と稼働率を向上させる
  • 有害物質排出と非効率性を最小化する
  • 代替燃料の活用を最適化する
  • スケールアップの確証を得る
  • さらなる最適化の可能性を特定する


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クリーン技術と再生可能エネルギー Clean Technologies and Renewables

Barracuda は、地球をより良く変える “our planet for better“ 複数のサステナブルな技術を実現し、市場投入時間を短縮しています。 ケミカル・リサイクル/アドバンシング・リサイクル、廃棄物からエネルギー/燃料/化学物質（他の廃棄物を原料に利用）、炭素の流れの捕捉、排出量の削減、太陽光パネル用の稀少元素生成など、 Barracudaは前向きな変化の原動力となっています。

以下は、クリーン技術と再生可能エネルギーの例です；

  • ケミカルリサイクル / プラスチックのアドバンスドリサイクル
  • 廃棄物エネルギー化、廃棄物燃料化、廃棄物化学物質化
  • 再生可能燃料/バイオ燃料水素製造および脱炭素アプリケーション
  • 排出制御およびガス流クリーン化技術
  • ケミカル・ループ燃焼（CLC）
  • 炭素回収と隔離太陽光発電および電気自動車部品用材料
  • 風力・太陽光発電用粒子状エネルギー貯蔵システム


これらのアプリケーションや他の多くのアプリケーションの中心となっているのは、流動床反応炉と他の流体粒子システムです。 Barracuda は、新しいグリーンサステナビリティおよび再生可能テクノロジを研究、開発、および迅速に導入するための業界標準ツールです。

Barracudaクライアントは次のようにシミュレーションを活用しています：

  • 研究開発で幅広い可能性を探る
  • 技術開発、商業化、IP保護のスピードアップ
  • パートナー、顧客、投資家に技術的メリットを効果的に伝える
  • 確証あるスケールアップ
  • さらなる最適化の機会を特定
  • プロセスエネルギーの最小化
  • カーボンフットプリントと排出量の削減


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研究＆一般的な流動化　Research and General Fluidization

流動化の研究は、流動床内で発生する粒子と流体間の運動量伝達、粒子間の衝突、化学反応など、基礎的な物理現象をより深く理解するために行われます。 Barracudaは産業装置のシミュレーション向けにデザインされており、直感的で使いやすいユーザ・インターフェースと高速計算性能により、研究環境における実験設計、データ分析と回帰、および産業的に重要な流動化システムの改善への応用など、多様な用途で有用なツールとして活用されています。

Barracudaシミュレーションは以下の目的で研究に用いられています；

  • 実験室規模の流動床装置の設計と運転
  • 抗力モデルの相関関係（およびその他の経験則モデル）と基本的な流動化特性への影響の研究
  • 試験データを基にした化学反応速度論の回帰
  • 装置のトラブルシューティング
  • 現象が発生する理由についての洞察
  • スケールアップ前のモデルキャリブレーション
  • CFDとAIおよび機械学習の統合

　研究＆一般的な流動化についてもっと見る…（CPFD社のWebページへリンク）

その他の例　Other Applications

Barracudaシミュレーションは、複数のアプリケーション分野で標準的に使用されており、追加の使用例が定期的に公開されています。以下は、CPFD、パートナーおよびクライアントによるその他のアプリケーション領域の例です；

  • 空気輸送システム
  • 乾燥機
  • 廃棄物処理システム
  • 沸騰流動床、懸濁気泡塔、重力沈降器、その他の液体流動床
  • 非機械式バルブ
  • 医薬品製造用の流体粒子システム
  • 消化器
  • 分級機
  • ビンとホッパー
  • 坑井内および水圧破砕におけるプロパントの流れ
  • 溶解採掘と地下空洞充填


このようなアプリケーションの中心は流動床とその他の流体粒子プロセスです。Barracuda は、既存の流体粒子プロセスのトラブルシューティング、スケーリング、および環境負荷削減のための業界標準ツールとして新しいテクノロジの研究、開発、および実装をサポートします。Barracudaがお客様のアプリケーションに適しているか、ぜひ私どもにお問い合わせください。

　　その他の例についてもっと見る…（CPFD社のWebページへリンク）

 

解析事例

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