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Computational fluid dynamics modeling and analysis of silica nanoparticle synthesis in a flame spray pyrolysis reactor

材料科学 燃烧 粒子(生态学) 计算流体力学 粒径 分手 纳米颗粒 粒度分布 热解 蒸发 机械 化学工程 纳米技术 热力学 化学 物理 地质学 工程类 海洋学 有机化学
作者
Debolina Dasgupta,Pinaki Pal,Roberto Torelli,Sibendu Som,Noah H. Paulson,Joseph A. Libera,Marius Stan
出处
期刊:Combustion and Flame [Elsevier BV]
卷期号:236: 111789-111789 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.combustflame.2021.111789
摘要

Flame Spray Pyrolysis (FSP) is a method for large-scale production of nanoparticles and nanoscale powders employed in a wide range of industrial applications. Particle size and morphology are complex functions of the physicochemical phenomena occurring in the FSP reactor. An extensive study of FSP-related phenomena can be utilized to develop effective strategies for achieving desired particle size/morphology and scaling up the overall yield of an FSP system. In this work, a computational fluid dynamics (CFD) model of an FSP reactor is developed to simulate the coupling of key phenomena involved in the particle synthesis process: liquid spray breakup and evaporation, mixing, combustion, and particle formation/growth of silica nanoparticles. The particle sizes and their distributions from the CFD simulations are validated against experimental data. Subsequently, the simulations are utilized to investigate the impact of process parameters on the resultant flame dynamics and particle growth. Firstly, the CFD results show that the particle sizes are strongly correlated with the precursor concentration in the solvent. At lower precursor concentrations, the spread of the distribution is relatively insensitive to the value of the concentration. At higher concentrations, the spread is higher as the collision probability between particles is higher. Secondly, increasing the pilot flow rate increases the length of the pilot flames impacting the local ignition location of the spray flame. Lastly, it is shown that the dispersion gas flow rate strongly influences the spray flame shape. This shape can be used for control of particle growth as it helps determine the regions of high temperature and the residence time of the particles in the high temperature region enabling the design and process optimization of the FSP reactor.
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