Investigation of atomization concepts for large-scale flame spray pyrolysis (FSP)

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Vol. 45; no. 8; pp. 765 - 778
• Main Authors: Meierhofer, F., Hodapp, M., Achelis, L., Buss, L., Noriler, D., Meier, H. F., Fritsching, U.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.08.2014; WILEY‐VCH Verlag; Wiley Subscription Services, Inc
• Subjects: Atomization; Atomizing; Computational fluid dynamics; Droplets; Feed rate; flame spray pyrolysis; Flammensprühpyrolyse; Fluid dynamics; Formations; Gas entrainment; High speed cameras; Liquid fuels; Liquid phases; Liquids; modeling and simulation; Modellierung und Simulation; Nanoparticles; Nozzles; Parameters; Particle image velocimetry; Reagents; spray diagnostics; Spray pyrolysis; Spraycharakterisierung; Sprayers; Sprays; Zerstäubung
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201400314

Flame spray pyrolysis (FSP) is a versatile process for the production of inorganic nanoparticles featuring the advantage that the reagents are directly dissolved in the liquid fuel that is atomized to form the burning flame. A majority of previous studies on flame spray pyrolysis is focused on the formation and growth processes of the nanoparticles but neglect the preceding step of precursor atomization and spray formation. In this work an atomization concept for large‐scale nanoparticle production by flame spray pyrolysis is presented. A pressure swirl nozzle is applied for creating a liquid hollow cone, and in a second step, different dispersion gas nozzles are utilized to enhance the atomization of the liquid phase and to influence the spray cone formation and geometry. The relevant parameters influencing the atomization process (dispersion gas feed rate, liquid feed rate) are investigated (for air, water) in non‐burning (cold) spray conditions in order to access the utilization of the different atomizer concepts for the flame spray pyrolysis‐process. Measurements are conducted by applying high speed camera imaging (HSC), particle image velocimetry (PIV) and laser diffraction spectroscopy (LDS). Computational fluid dynamics (CFD) revealed further insight into the gas entrainment and the trajectory of droplets within the spray. Results show that the liquid volume flow rate (and thus the productivity of the process) may be increased significantly while still maintaining an appropriate droplet size compared to the conventional atomization process conditions in flame spray pyrolysis reactors. Ein Verfahren zur Herstellung diverser anorganischer Nanopartikel ist die Flammensprühpyrolyse (FSP), bei welcher die metallischen Ausgangsstoffe im Brennstoff gelöst und durch Zerstäubung und Verbrennung oxidiert werden. Ein Hauptteil bisheriger Studien zur Flammensprühpyrolyse bezieht sich auf die Wachstumsprozesse der Nanopartikel, vernachlässigt jedoch den vorangehenden Schritt der Zerstäubung und Sprayentstehung. In dieser Arbeit werden Zerstäubungskonzepte für die erhöhte Produktion von Nanopartikeln mittels Flammensprühpyrolyse vorgestellt. Eine Druckdralldüse wurde zur Erzeugung eines Flüssigkeitshohlkegels verwendet. In einem zweiten Schritt wurden verschiedene Dispersionsgasdüsen (Einzeljetdüsen) adaptiert, um die Zerstäubung zu intensivieren und die Spraygeometrie zu beeinflussen. Die relevanten Parameter des Zerstäubungsprozesses (Dispersionsgas‐ und Flüssigkeitsflussrate) wurden für Luft und Wasser unter nichtbrennenden (kalten) Spraybedingungen analysiert, um geeignete Düsenkombinationen für den Flammensprühpyrolyseprozess zu finden. Messungen wurden mittels Hochgeschwindigkeitskamera (HSC), Particle Image Velocimetry (PIV) und Beugungsspektrometer (LDS) durchgeführt. Computational Fluid Dynamics (CFD) gab darüber hinaus Einblick in die Tropfentrajektorie des Sprays und das entstehende Gasentrainment. Die Ergebnisse zeigen, dass die Flussrate der Flüssigkeit (und damit die Produktivität des Prozesses) signifikant erhöht werden kann und dabei ähnliche Tropfengrößen wie in herkömmlichen Flammensprühpyrolysezerstäubern erzeugt werden.