Experimental and Numerical Investigation of Particle Movement in a Lab-Scale Spray Coater

par Emré Karaoglan

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Denis Poncelet.


  • Résumé

    Opérations de revêtement de particules dans les lits fluidisés sont principalement basées sur des données empiriques expertise / de l'opérateur en dépit de leurs nombreuses applications dans l'industrie. L'objectif de cette thèse est de développer une compréhension du mouvement des particules dans un spray coater à l’échelle laboratoire en termes de différentes conditions de fonctionnement, propriétés des matériaux et conception du réacteur. Le débit d'air et de sa distribution en passant par le réacteur ont été quantifiées en utilisant anémométrie à fil chaud. Les données expérimentales ont été utilisé pour construire un modèle standard d'écoulement turbulent k-ε pour prédire le débit d'air. Le mouvement des particules a été mesuré en prenant en compte le débit d'air, la taille des particules, la charge du réacteur et le dessin d’intérieur du réacteur en utilisant la methode « positron emission particle tracking (PEPT) » en collaboration avec l’Université de Birmingham. La distribution du temps de circulation de particules, la concentration du solide et les profils de vitesse radiales/axiale des particules ont été calculées. Des circulations de particules plus courtes et étroitement distribués ont été observés lorsque le flux d'air a été augmenté. Un comportement similaire a été observé une fois que la charge de particules dans le réacteur a augmentée ou la taille des particules a diminuée. L'introduction d'un appareil de « spouting » dans le fond du réacteur a changé la trajectoire de circulation des particules, en résultant dans une distribution des temps de circulation plus rapide et étroite. Un modèle de MED a été construit dont le domaine de calcul a été discrétisée par la méthode des éléments finis. Le modèle a permis de prédire qualitativement le mouvement des particules, malgré l'absence de précision quantitative.

  • Titre traduit

    Experimental and Numerical Investigation of Particle Movement in a Lab-Scale Spray Coater


  • Résumé

    Operation of fluidized bed particle coating processes are mainly based on empirical data and operator expertise despite their numerous applications in the industry. The objective of this thesis is to develop an understanding of particle motion in a lab scale spray coater in terms of various operating conditions, material properties and reactor design. The airflow rate and its distribution passing through the reactor was quantified using hotwire anemometry. The experimental data was used to construct a standard k-ε turbulent flow model to predict airflow in the reactor with high accuracy. Particle movement in the reactor was measured with respect to airflow rate, particle size, reactor load and reactor interior design using positron emission particle tracking in Collaboration with University of Birmingham positron imaging center. Particle circulation time distributions, timeaveraged solid concentration over the reactor, radial/axial particle velocity profiles and zone-wise particle residence within the reactor were calculated using the post-processing program, developed to analyze PEPT data. Shorter and narrowly distributed particle circulations were observed when the airflow was increased. A similar behavior was observed when the particle load in the reactor was increased or the particle size was decreased. Introduction of a spouting apparatus at the bottom of the reactor significantly changed the circulation trajectory of the particles, resulting in faster and narrowly distributed particle circulation times. Using the airflow model and the experimental data obtained, a gas-solid fluidization model was constructed. The particle flow was modeled in a discrete description of motion over a finite element discretized domain for the first time in the literature. The model was able to qualitatively predict particle motion, despite lacking quantitative accuracy.