Influence of Atomization and Spray Parameters on the Flame Spray Process for Nanoparticle Production

Noriler, Dirceu; Rosebrock, Christopher D.; Mädler, Lutz; Meier, Henry França; Fritsching, Udo

doi:10.1615/atomizspr.2014008559

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“…Spatially resolved information on the droplet, gas and solid phases present in the FSP process can be obtained by applying adequate process diagnostics. For example, spray droplet diameters of a laboratory‐scaled FSP reactor have been measured under non‐burning conditions by line‐of‐sight Fraunhofer laser diffraction spectroscopy for different liquid and dispersion gas feed rates. For burning‐conditions, phase Doppler anemometry (PDA) was performed to determine both droplet size and velocity profiles .…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Nanoparticle evolution in flame spray pyrolysis—Process design via experimental and computational analysis

2019

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In flame spray pyrolysis (FSP), the evolution of metal oxide nanoparticles relies on quite a number of droplet (liquid) and vapor phase related physical mechanism as for instance precursor evaporation, oxidation, nucleation via gas-to-particle conversion mechanism, and subsequent particle (solid) growth mechanisms based on coagulation, sintering/coalescence, and agglomeration. The liquid precursor and dispersion oxygen feed rates are relevant control parameters of the FSP process for tailoring the nanoparticle size (diameter) and structure as well as the atomizer nozzle configuration. Sophisticated nonintrusive, laser-based in situ and ex situ diagnostics with multiscale spatial resolution (micrometer to meter range) are applied for analyzing droplet formation and size, gas velocity, temperature, species concentration, as well as primary and agglomerate diameters along the flow direction. Computational fluid dynamics (CFD) are coupled with population balance modeling (PBM) to elucidate the nanoparticle dynamics within the reactive spray. It is found that the CFD-PBM approach allows estimations of primary and agglomerate nanoparticle diameters within 80 and 75% accuracy compared to experimental data, suggesting that the methods presented could pave the way for designing next-generations of flame reactors.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Nanoparticle evolution in flame spray pyrolysis—Process design via experimental and computational analysis

2019

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“…However, the choice and formulation of the liquid precursor/solvent feed drastically affects product nanopowder characteristics through droplet atomization, vaporization, and precursor release . These processes depend on the physicochemical properties of the liquid feed, mainly viscosity, surface tension, volatility, thermal, and chemical stability as well as combustion enthalpy of the components.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

The role of microexplosions in flame spray synthesis for homogeneous nanopowders from low‐cost metal precursors

et al. 2015

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One of the most versatile and rapid manufacturing processes for a variety of nanopowders is flame spray pyrolysis (FSP). The production costs of this scalable process are largely controlled by the raw materials, pushing for the utilization of lowcost metal precursors. These, however, typically yield inhomogeneous products containing large particles up to micrometer size along with fine nanoparticles. Here, the release mechanism of nitrate and carboxylate precursors from spray droplets has been investigated by single-droplet combustion experiments and thermogravimetric analysis. The results show that neither precursor evaporation nor choice of solvents is prerequisite for homogeneous nanopowders but droplet microexplosions with continuing combustion. It is shown that even low-cost metal nitrates yield homogeneous nanopowders if precursors are formulated such that droplet microexplosions occur by internal superheating. The proposed precursor release mechanisms are verified with lab-and pilot-scale FSP, demonstrating that single-droplet combustion experiments can be employed to predict the product quality.

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“…Magnussen e Hjertager (1977) assumem que a taxa de combustão é determinada pela taxa de transferência de massa entre as escalas de vórtices reagentes, e partindo desse pressuposto, desenvolveram modelo de "Eddy Dissipation Concept" (EDC), sendo este aplicado no presente trabalho. Detalhes da modelagem matemática podem ser encontrados em Noriler et al, 2014. …”

Section: Modelo Matemáticounclassified

Análise Da Atomização Giratória Em Reatores De Spray Flamenjante Por Técnicas De CFD

Klemz¹,

Ramlow²,

Gonçalves³

et al. 2015

Anais Do XX Congresso Brasileiro De Engenharia Química

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RESUMO -A aplicação de nanomateriais tem recebido especial atenção devido a suas propriedades físicas e químicas e suas diversas aplicações. Em comparação com os métodos convencionais de produção de nanopartículas, o processo Flame Spray Pyrolysis (FSP) tem a vantagem de que os materiais de partida são dissolvidos diretamente em um combustível e, portanto, podem ser facilmente fornecidos à zona de reação. Desta forma, a compreensão abrangente do processo FSP e do efeito de suas variáveis sobre as características das nanopartículas formadas é de fundamental importância para o desenvolvimento de técnicas de produção em larga escala. O objetivo deste trabalho é avaliar a atomização giratória em reatores de spray flamejante por aplicação das técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD). Os principais resultados mostram uma validação qualitativa da forma do spray a frio, a morfologia da chama e campos de velocidade e temperatura para duas distintas configurações. Observou-se que o atomizador 30º/15º apresentou uma largura de chama 4% maior e uma altura 2,8% maior em relação ao atomizador 30º/5º, além de um alcance da zona de evaporação de 2,5 vezes maior.Palavras-chave: Produção de Nanopartículas, Fluidodinâmica Computacional, Modelagem Matemática, Spray Flamejante (FSP), Atomização Giratória. INTRODUÇÃOA importância das nanopartículas aumentou nos últimos anos devido as suas propriedades físicas e químicas e diversas aplicações tais como, catálise (Fischer-Tropsch), células fotovoltaicas (TiO2), sensores de gás, indústria de pigmentos (TiO2) entre outras. Devido a todas estas aplicações, cresce a necessidade de um processo de fabricação mais eficiente, em maior escala (Ramlow, 2013). Neste sentido, o processo Flame Spray Pyrolysis (FSP) apresenta-se como uma técnica altamente promissora e versátil para a síntese rápida e em boa escala de nanomateriais com aplicações em engenharia. O Processo FSP foi introduzido em 2002 por Mädler et al. e baseia-se na utilização exclusiva de precursores líquidos altamente exotérmicos, em particular os baseados em solventes orgânicos, que dão origem às chamas autossustentáveis. Um precursor é um componente químico no qual o elemento desejado é incorporado e liberado durante a combustão, sob a forma de partículas. A mistura do "precursor e combustível" é pulverizada através de um bico para uma zona de reação e lá é atomizado a partir de um gás de Área temática: Simulação, Otimização e Controle de Processos 1

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Influence of Atomization and Spray Parameters on the Flame Spray Process for Nanoparticle Production

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Nanoparticle evolution in flame spray pyrolysis—Process design via experimental and computational analysis

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The role of microexplosions in flame spray synthesis for homogeneous nanopowders from low‐cost metal precursors

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