Modeling and validation of particle drying and coating in a continuously operated horizontal fluidized bed

Abstract

Horizontal fluidized bed is a type of commonly used apparatus for material drying and particle formation processes in industry. In contrast with the batch device, one significant advantage of such fluidized bed is that it can achieve high throughput by being operated continuously. However, the continuous process has typically some specific features, for instance, an uneven residence time distribution (RTD) of particles. A broad distribution of residence time among particles is usually unfavorable, in particular for materials which are sensitive to the process duration. Accordingly, RTD is one of the most important aspects when investigating continuous processes. In the present work, the RTDs of -Al2O3 particles in a pilot scale fluidized bed were firstly experimentally measured. The same material and device were used for the upcoming drying and coating researches as well. The influences of various operation and configuration parameters on the RTD of the particles were discussed. In order to obtain characteristic properties of the RTD, e.g., the dispersion coefficient of the particles and the number of theoretical tanks, numerical models were solved. Later, two alternative methods, the species method and the multi-solid method, were developed for estimating particle RTD via computational fluid dynamics (CFD). The results indicate that both methods are able to simulate particle RTD in the transient CFD mode. The complex interrelation between particle diffusivity and dispersion coefficient was then discussed on the basis of the simulation results. Moreover, possibilities for accelerating the simulation were addressed. The second research focus of this study is the modeling of the particle drying process in a horizontal fluidized bed. Several drying experiments have been used for model validation. The moisture content distribution and RTD of wet particles were measured in these experiments. The influence of some geometrical parameters (e.g., outlet weir height and internal baffles) on the RTD of wet particles was qualitatively discussed and compared with the corresponding results of dry particles. On the basis of a single particle drying approach combined with different particle flow assumptions in the horizontal fluidized bed, in total five drying models were developed: plug flow (PF) model, continuous-flow stirred-tank reactor model, tank-in-series mixed flow model, one dimensional population balance drying model and two dimensional population balance drying (2D-PBD) model. Simulation results from each model were not only compared with experimental data but also with each other. The particular meaning of each model was discussed. Finally, the influences of operation parameters on the particle drying process in the horizontal fluidized bed were evaluated in the frame of parameter studies based on the PF and 2D-PBD models. Spray coating, an essential branch of the wet formulation of particles, is applied when it is necessary to change the surface properties of a specific particulate material. The last investigation of the present work concerned the modeling of particle coating process in a horizontal fluidized bed. Like in the development of the drying model, coating experiments from our group were applied for validation of the model. In these experiments, -Al2O3 particles were coated with sodium benzoate solution, and the corresponding particle size distributions (PSDs) at the inlet and outlet were respectively attained. To account for the particle back-mixing effect in the horizontal fluidized bed, a single particle coating model was expanded into a one-dimensional population balance coating model that considers the particle RTD. Moreover, it was found that the RTD of particles under specific conditions could be accurately determined using recently developed empirical correlations. Later, the PSD was implemented as a second dimension of the population balance to the model. The simulation results from both models were validated and discussed by comparing with the experimental data. Generally, the two-dimensional population balance coating model provided more reliable results. Lastly, the influences of different operating and geometric parameters (outlet weir height, superficial gas velocity, etc.) on the PSD of the coated particles were investigated via model-based numerical experiments.

Die horizontale Wirbelschicht ist eine Apparatur, die sehr häufig für Materialtrocknungsprozesse und Partikelformulierungsprozesse in der Industrie ihren Einsatz findet. Im Gegensatz zu Wirbelschichten, die absatzweise betrieben werden, besteht ein wesentlicher Vorteil einer horizontalen Wirbelschicht darin, dass durch den kontinuierlichen Betrieb ein hoher Durchsatz erreicht werden kann. Ein kontinuierlicher Prozess hat jedoch einige charakteristische Merkmale; beispielsweise treten ungleichmäßige Verweilzeitverteilungen (RTD) der behandelten Partikel auf. Eine breite Verteilung der Verweilzeit der Partikel ist in der Regel ungünstig, insbesondere für empfindliche Materialien, die einer langen Prozessdauer ausgesetzt sind. Daher ist die RTD eine der wichtigsten Aspekte bei der Untersuchung von kontinuierlichen Prozessen. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst die Verweilzeitverteilungen von -Al2O3-Partikeln in einer pilotmaßstäblichen Wirbelschicht experimentell vermessen. Für nachfolgende Trocknungs- und Beschichtungsversuche wurde sowohl die gleiche Anlage als auch das gleiche Versuchsmaterial verwendet. Die Einflüsse verschiedener Betriebs- und Konfigurationsparameter auf die RTD der Partikel wurden jeweils diskutiert. Um charakteristische Eigenschaften der RTD zu erhalten, z. B. den Dispersionskoeffizienten der Partikel und die Anzahl der theoretischen Stufen, wurden numerische Modelle aufgestellt. Es folgte die Entwicklung zweier alternativen Methoden, der Speziesmethode und der Multi- Solid-Methode, um die RTD der Partikel mithilfe der CFD (Computational Fluid Dynamics) zu erhalten. Anhand der Simulationsergebnisse konnte gezeigt werden, dass beide Methoden die Partikel-RTD im transienten CFD-Modus simulieren können. Der komplexe Zusammenhang zwischen Partikeldiffusivität und Dispersionskoeffizienten wurde auf Basis der Simulationsergebnisse diskutiert, sowie Möglichkeiten der Beschleunigung der Simulationen betrachtet. Der zweite Forschungsschwerpunkt dieser Studie betrat die Modellierung des Trocknungsprozesses von Partikeln in einer horizontalen Wirbelschicht. Zur anschließenden Modellvalidierung wurden mehrere Trocknungsexperimente verwendet. Die Feuchteverteilung und die RTD von feuchten -Al2O3-Partikeln wurden in diesen Experimenten gemessen. Der Einfluss geometrischer Parameter (z. B. Austrittsüberlaufhöhe und innere Wehre) auf die RTD von feuchten Partikeln wurde qualitativ diskutiert und mit entsprechenden Ergebnissen von trockenen Partikeln verglichen. Auf der Grundlage eines Einzelpartikel- Trocknungsansatzes kombiniert mit unterschiedlichen Partikelströmungsannahmen in der horizontalen Wirbelschicht wurden insgesamt fünf Trocknungsmodelle entwickelt: Kolbenströmungsmodell (PF-Modell), Rührkesselmodell, Rührkesselkaskademodell, eindimensionales Populationsbilanzmodell für die Trocknung und zweidimensionales Populationsbilanzmodell für die Trocknung (2DPBD). Die Simulationsergebnisse jedes Modells wurden sowohl untereinander als auch mit den experimentellen Daten verglichen. Schließlich wurden die Einflüsse einiger Betriebsparameter auf den Trocknungsprozess der Partikel in der horizontalen Wirbelschicht jeweils in Parameterstudien auf der Grundlage der PF- und 2D-PBD-Modelle bewertet und diskutiert. Sprühbeschichten ist wichtig in der Partikelformulierung und wird angewendet, wenn die Oberflächeneigenschaften eines bestimmten Partikelmaterials geändert werden müssen. Die letzte Untersuchung der vorliegenden Arbeit betraf die Modellierung des Partikelbeschichtungsprozesses in der horizontalen Wirbelschicht. Ähnlich wie bei der Entwicklung des Trocknungsmodells wurden Beschichtungsexperimente aus der Lehrstuhlliteratur zur Validierung des Modells eingesetzt. In diesen Experimenten wurden -Al2O3- Partikel mit Natriumbenzoat beschichtet und Partikelgrößenverteilungen (PSD) sowohl am Einlass als auch am Auslass bestimmt. Zur Beschreibung des Partikel-Rückvermischungseffekts in der horizontalen Wirbelschicht wurde ein Einzelpartikel-Beschichtungsmodell zu einem eindimensionalen Populationsbilanzmodell für das Coating erweitert, welches die Partikel-RTD berücksichtigt. Es wurde festgestellt, dass die RTD unter bestimmten Bedingungen mit Hilfe jüngst entwickelt empirischer Korrelationen genau bestimmt werden kann. Die PSD wurde folglich als zweite Dimension der Populationsbilanz in das Modell implementiert und die Simulationsergebnisse beider Modelle wurden validiert und vergleichend mit den experimentellen Daten diskutiert. Es stellte sich heraus, dass das zweidimensionale Populationsbilanzmodell zuverlässigere Ergebnisse liefert. Abschließend wurden die Einflüsse verschiedener Betriebs- und Geometrieparameter (Austrittswehrhöhe, Leerrohrgeschwindigkeit usw.) auf die PSD der beschichteten Partikel durch modellbasierte numerische Experimente untersucht.