新製品情報詳細化学反応解析支援ソフトウェア ANSYS社製CHEMKIN-PRO販売開始 CHEMKIN-PROは化学反応の解析を支援するために開発されたソフトウェアです。燃焼反応をはじめとして、触媒表面上の反応や半導体基板上の薄膜成長反応などの幅広い分野の研究開発に活用されています。現在、 ANSYS社から販売されているCHEMKIN-PROに関し、改めてソフトウェアの全体像について紹介します。 ■ ANSYS, Inc ■Reactor Network Model ANSYS, Inc. （ANSYS 社）は、 1970 年にDr. John A. Swanson 複数の反応器モデルを接続したネットワークフローを構によりSwanson Analysis Systems, Inc.として設立され、さ築することができます。前段にある反応器からの出力を、後まざまな産業分野の製品開発に携わる技術者を支援するた段の反応器への入力として自動的に値を引き渡すため、煩めのシミュレーションソフトウェアを提供している会社です。雑な入出力設定の手間が削減されます。また、複数の反応器 2016 年1月より、CHEMKIN-PRO は ANSYS 社製品として販売が連続するようなプロセスフローを表現したり、CFD によるしております。改めて本稿でソフトウェアの機能ならびに全解析結果や実験結果を元にした流れのプロファイルを模式体像について紹介します。的に表したりすることが可能です。 ■ 特長 ■ 反応解析を支援する機能 CHEMKIN-PRO は化学反応速度論に基づくシミュレーショ ■ Parameter Study ンソフトウェアです。気相および固体表面上の化学反応を扱パラメーターの入力に対して、あらかじめ複数の入力値をうことができます。物質を構成する原子・分子間の結合や組与えておき、これらの条件下で計算を一度に実行する機能み換えの際に生ずる化学変化の過程を、素反応の集合としです。最適な操作条件を探索する場合や、計算結果と実験て表現した「詳細化学反応機構」を用いることで、反応物、生値を比較して未知の反応速度パラメーターを検討する際に成物のみならず、中間生成物も含んだ多数の化学種の組成も効果的な機能です。変化や、温度・圧力変化などをシミュレーションすることが ■ Sensitivity Analysis できます。各素反応の感度係数を算出します。感度係数は、各素反 CHEMKIN-PRO には、解析対象とする反応系の特色に応応の速度定数の微小変化に対して温度や化学種の生成量じた、さまざまな反応器モデルが取り揃えられており、単純が変化する度合いを示す指標です。特定の化学種の生成やな流れを伴う化学反応も扱うことが可能です。また詳細化系の温度変化に対して支配的な影響をもつ素反応を見極学反応機構の構築をサポートする機能も含まれます。める際に用いられる機能です。使いやすさ、精度の良さ、計算の速さを兼ね備えており、全世界で化学反応解析のデファクトスタンダードとして使用されているソフトウェアです( 図1)。 ■ Uncertainty Analysis1) パラメーターの値が不確実な場合や、反応条件に変動が生じやすい場合に、それら入力データの不確実性を定義して出力データの変動に対する影響を予測することができます。入力データの不確実性を確率密度関数(Probability Density Function)として定義し出力結果を得ることが可能です。 ■ Reaction Path Analyzer 2) 反応過程中の化学組成と化学種の生成速度の計算結果をもとに、反応経路図を作成する機能です。生成速度の相対的な大きさを矢印の太さで表現して、主要な反応経路の図 1　グラフィカルユーザーインターフェース判別や化学反応機構の理解をサポートします( 図 2)。 ■ 基本機能 ■ 反応器モデル火炎・エンジン・プラズマなど、さまざまな対象に応じた反応器モデルが実装されており、簡単に温度や圧力などの設定条件を指定することができます。 ■ CHEMKIN Visualizer（ポストプロセッサ）ソルバーによって算出された解はCHEMKIN Visualizerを通じてグラフ化することが可能です。また、表計算用のソフトウェアでも処理可能なcsv(カンマ区切り形式 )ファイルとして解を出力することもできます。 2 図 2　Reaction Path Analyzer ■ FITDAT Utility3) 熱力学量のデータフィッティングツールです。反応速度計算で用いられる熱力学量の実験データからフィッティ新製品情報ングを掛け、CHEMKIN 形式の入力フォーマットへ変換す ■ 主な適用例ることができます。 ■火炎・燃焼特性 ■Particle Tracking Module 4) 前駆体物質からの粒子の核生成および、粒子同士の凝集や合体、融合などの過程を考慮することで、微粒子生成を伴う反応も計算が可能です。ススやナノクラスターに対する微粒子の生成過程を追跡することができます。 ■ 反応解析の流れ 1. 反応器モデルの選択グラフィカルユーザーインターフェース上の専用アイコンを予混合層流火炎の伝搬速度推算、対向流拡散火炎の解析 ■エンジンシリンダー内燃焼圧縮自着火過程の解析、ノッキング特性の解析 ■ガスタービン燃焼排ガス組成の解析、リーンバーン特性の解析 ■触媒表面上の反応解析触媒反応メカニズムの解析、ライトオフ特性の解析、三元触媒反応モデルによる排ガス浄化の解析 ■材料プロセッシングクリックして反応器モデルを呼び出し、利用することができ CVD/ALDによる薄膜成長の反応シミュレーション、ます（図 3）。ひとつの反応器モデルでは表せない複雑な流弱電離プラズマ中の反応シミュレーション、れを伴う反応に対しては、複数の反応器モデルを接続して微粒子生成による粒径分布の経時変化5)(図4) Reactor Network Modelを構築することも可能です。 2. 化学反応データの入力着目する化学反応を定義するために各種データファイルを使用します。これらデータファイル特有の書式は、 CHEMKINフォーマットと呼ばれ、世界中で公開されているさまざまな化学反応機構データベースに採用されています。・気相反応機構ファイル(Gas-Phase Kinetics File) ・表面反応機構ファイル(Surface Kinetics File) ・熱力学データファイル(Thermodynamics File) ・気体輸送データファイル(Transport Data File) 3. 計算条件の設定図 4　微粒子生成による粒径分布の経時変化 ■ まとめ温度・圧力・初期組成など、装置条件や操作条件のパラこのようにCHEMKIN-PRO には、化学反応の解析を支援メーター入力画面が用意されており、簡単に設定することがするためのさまざまな機能が実装されています。気相中のできます。また、Parameter Study 機能を用いて複数の条件化学反応だけに留まらず、表面反応や、核生成・成長によるを与えておき、各条件下での計算をまとめて一度に処理する粒子同士の凝集・融合過程を伴った複雑な現象も考慮することも可能です。ことが可能です。それゆえ適用分野は多岐にわたり、自動車エンジンやガ 4. 計算化学反応解析のために設計されたソルバーを用いて、入スタービンなどの燃焼反応をはじめとして、触媒表面反応に力されたデータファイルと計算条件をもとに精度のよい計よる排ガス浄化の解析や半導体基板上の薄膜成長反応、プ算を高速に実行します。ラズマ中の化学反応や微粒子生成の粒径分布解析など、さ 5. 計算結果の処理・グラフ化まざまな対象を扱うことができます。 CHEMKIN Visualizer から、計算結果のグラフ化を簡単に素反応レベルで化学反応のメカニズムを議論・検討する実行することができます。また表計算用のソフトウェアでグことができるため、原子・分子間の結合や組み換えを伴うラフ描画したい場合は、計算結果をcsvファイルに出力する化学変化を理解するうえで非常に有用なツールです。ことも可能です。ご興味をお持ちの方は弊社サポートリクエスト窓口 ([email protected])までお問い合わせください。 1) RSIニュースレター2010年 1月号* 2) RSIニュースレター2014年10月号* 3) RSIニュースレター2015年 4月号* 4) RSIニュースレター2016年 1月号* 5) ANSYS CHEMKIN 17.0 (15151) ANSYS Reaction Design: San Diego, 2016, Tutorials Manual 2.7.5 Detailed Particle Aggregation in Batch Reactor 図 3　反応解析の流れ（概念図） * RSIニュースレターのバックナンバーは弊社HP上でご覧になれます。 http://www.rsi.co.jp/kagaku/cs/news/newsletter_back.html#chemkin 3