Modeling of particle distribution and dispersion in spray and spray drying processes

喷雾和喷雾干燥过程中颗粒分布和分散的建模

基本信息

项目摘要

Spray drying processes aim to produce particles with prescribed properties including the particle structure, geometric properties, bulk density and chemical structure. First, a spray is generated, which in the course of the process evaporates and dries – the process is influenced, for instance, by droplet interaction as well as drag and gravity force and particle formation.The scope of the present project is the modeling and simulation of spray and spray drying processes where special attention is given to the characteristics of both the spray and spray drying, and their effect on the characteristics of the resulting powder. In particular, spray inhomogeneity associated with the atomization process and its transport in the convective medium is not well understood. Moreover, detailed information about the particle formation and its influence on the properties of the resulting powder is required.In the present project, the complete process ranging from atomized spray to powder is studied by means of numerical simulation where the distribution of the spray is modeled using direct quadrature method of moments (DQMOM), which is a powerful method to include all physical processes of interest. DQMOM must be coupled to the evaporating and drying environment.The first period concerned the setup and verification of the one-dimensional mathematical model using experimental data from BASF, where a water spray was injected into nitrogen at room temperature. In the second period, two-dimensional axi-symmetric systems of water and Polyvinylpyrrolidone (PVP)/water solutions sprayed in to still air are studied. For PVP/water sprays, in order to treat the bi-component evaporation and drying of droplets, a new evaporation and drying model is developed, analyzed and implemented in DQMOM. The bi-component droplet evaporation and drying model was also evaluated for Mannitol/water droplets. The final period concerns the drying of PVP/water sprays into powder where the effect of drying conditions such as gas temperature and velocity as well as droplet size on particle formation and characteristics will be investigated for both PVP and Mannitol.
喷雾干燥过程的目的是生产具有规定性能的颗粒,包括颗粒结构、几何性能、堆积密度和化学结构。首先,产生一个喷雾,在这个过程中蒸发和干燥——例如,这个过程受到液滴相互作用、阻力和重力以及颗粒形成的影响。本项目的范围是喷雾和喷雾干燥过程的建模和模拟,其中特别注意喷雾和喷雾干燥的特性,以及它们对所得粉末特性的影响。特别是,与雾化过程及其在对流介质中的传输有关的喷雾不均匀性尚未得到很好的理解。此外,还需要关于颗粒形成及其对所得粉末性能影响的详细信息。在本项目中,通过数值模拟的方法研究了从雾化喷雾到粉末的整个过程,其中喷雾的分布采用直接正交矩法(DQMOM)建模,这是一种强大的方法,可以包括所有感兴趣的物理过程。DQMOM必须与蒸发和干燥环境耦合。第一个阶段涉及使用巴斯夫的实验数据建立和验证一维数学模型,其中在室温下向氮气中注入水喷雾。在第二阶段,研究了水和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/水溶液喷入静止空气的二维轴对称体系。对于PVP/水喷雾,为了处理液滴的双组分蒸发干燥,在DQMOM中开发、分析并实现了一种新的蒸发干燥模型。对甘露醇/水滴的双组分蒸发干燥模型进行了评价。最后一个阶段是将PVP/水喷雾干燥成粉末,其中干燥条件(如气体温度和速度)以及液滴大小对PVP和甘露醇颗粒形成和特性的影响将被研究。

项目成果

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MODELING AND SIMULATION OF WATER AND PVP/WATER EVAPORATING SPRAY FLOWS USING THE DIRECT QUADRATURE METHOD OF MOMENTS
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  • DOI:
    10.1615/atomizspr.2014008479
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.2
  • 作者:
    Gopireddy;Wimmer;Gutheil E.
  • 通讯作者:
    Gutheil E.
Numerical simulation of evaporation and drying of a bi-component droplet
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