Liquid distribution in wet granulation: dimensionless spray flux

This study investigates binder distribution in wet granulation and focuses on the nucleation zone, which is the area where the liquid binder and powder surface come into contact and form the initial nuclei. An equipment independent parameter, dimensionless spray flux Psi (a), is defined to characterise the most important process parameters in the nucleation process: solution flowrate, powder flux, and binder drop size. Ex-granulator experiments are used to study the relationship between dimensionless spray flux, process variables and the coverage of binder fluid on the powder surface. Lactose monohydrate powder on a variable speed riffler passed under a flat spray once only. Water and 7% HPC solution at two spray pressures were used as binders. Experiments with red dye and image analysis demonstrate that changes in dimensionless spray flux correlate with a measurable difference in powder surface coverage. Nucleation experiments show that spray flux controls the size and shape of the nuclei size distribution. At low Psi (a), the system operates in the drop controlled regime, where one drop forms one nucleus and the nuclei size distribution is narrow. At higher Psi (a), the powder surface cakes creating a broader size distribution. For controlled nucleation with the narrowest possible size distribution, it is recommended that the dimensionless spray flux be less than 0.1 to be in the drop-controlled regime. (C) 2001 Elsevier Science S.A. All rights reserved.

Nucleation, growth and breakage phenomena in agitated wet granulation processes: a review

Wet agglomeration processes have traditionally been considered an empirical art, with great difficulties in predicting and explaining observed behaviour. Industry has faced a range of problems including large recycle ratios, poor product quality control, surging and even the total failure of scale up from laboratory to full scale production. However, in recent years there has been a rapid advancement in our understanding of the fundamental processes that control granulation behaviour and product properties. This review critically evaluates the current understanding of the three key areas of wet granulation processes: wetting and nucleation, consolidation and growth, and breakage and attrition. Particular emphasis is placed on the fact that there now exist theoretical models which predict or explain the majority of experimentally observed behaviour. Provided that the correct material properties and operating parameters are known, it is now possible to make useful predictions about how a material will granulate. The challenge that now faces us is to transfer these theoretical developments into industrial practice. Standard, reliable methods need to be developed to measure the formulation properties that control granulation behaviour, such as contact angle and dynamic yield strength. There also needs to be a better understanding of the flow patterns, mixing behaviour and impact velocities in different types of granulation equipment. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Scale-up of mixer granulators for effective liquid distribution

There is considerable anecdotal evidence from industry that poor wetting and liquid distribution can lead to broad granule size distributions in mixer granulators. Current scale-up scenarios lead to poor liquid distribution and a wider product size distribution. There are two issues to consider when scaling up: the size and nature of the spray zone and the powder flow patterns as a function of granulator scale. Short, nucleation-only experiments in a 25L PMA Fielder mixer using lactose powder with water and HPC solutions demonstrated the existence of different nucleation regimes depending on the spray flux Psi(a)-from drop-controlled nucleation to caking. In the drop-controlled regime at low Psi(a) values. each drop forms a single nucleus and the nuclei distribution is controlled by the spray droplet size distribution. As Psi(a) increases, the distribution broadens rapidly as the droplets overlap and coalesce in the spray zone. The results are in excellent agreement with previous experiments and confirm that for drop-controlled nucleation. Psi(a) should be less than 0.1. Granulator flow studies showed that there are two powder flow regimes-bumping and roping. The powder flow goes through a transition from bumping to roping as impeller speed is increased. The roping regime gives good bed turn over and stable flow patterns. This regime is recommended for good liquid distribution and nucleation. Powder surface velocities as a function of impeller speed were measured using high-speed video equipment and MetaMorph image analysis software, Powder surface velocities were 0.2 to 1 ms(-1)-an order of magnitude lower than the impeller tip speed. Assuming geometrically similar granulators, impeller speed should be set to maintain constant Froude number during scale-up rather than constant tip speed to ensure operation in the roping regime. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V.

Role of oxygen in the nitrous oxide/carbon reaction

An investigation of the role of oxygen in the nitrous oxide/carbon reaction was carried out on various carbon samples (both graphitic and nongraphitic) over a range of temperatures and partial pressures. Previous work reported that oxygen strongly inhibited the nitrous oxide/carbon reaction. Large ratios of O-2/N2O were used in all previous work. In this work, the O-2/N2O ratio was kept below 1, and we found that oxygen did not inhibit the rate of the C + N2O reaction. Instead, the rate of the reaction in the presence of oxygen was essentially that predicted by the two independent reactions, nitrous oxide/carbon and oxygen/carbon, occurring simultaneously. A simple theoretical explanation is given for the observations, both past and present, on the basis of competitive chemisorption of nitrous oxide and oxygen on active sites.

Low-Carbon Cement with Waste Oil-Cracking Catalyst Incorporation

The present paper shows preliminary results of an ongoing project which one of the goals is to investigate the viability of using waste FCC catalyst (wFCC), originated from Portuguese oil refinery, to produce low carbon blended cements. For this purpose, four blended cements were produced by substituting cement CEM I 42.5R up to 20% (w/w) by waste FCC catalyst. Initial and final setting times, consistency of standard paste, soundness and compressive strengths after 2, 7 and 28 days were measured. It was observed that the wFCC blended cements developed similar strength, at 28 days, compared to the reference cement, CEM I 42.5R. Moreover, cements with waste FCC catalyst incorporation up to 15% w/w meet European Standard EN 197-1 specifications for CEM II/A type cement, in the 42.5R strength class.

Dimensionamento de um secador em leito fluidizado para secagem de cereais

O objectivo desta tese é dimensionar um secador em leito fluidizado para secagem de cereais, nomeadamente, secagem de sementes de trigo. Inicialmente determinaram-se as condições de hidrodinâmica (velocidade de fluidização, TDH, condições mínimas de “slugging”, expansão do leito, dimensionamento do distribuidor e queda de pressão). Com as condições de hidrodinâmica definidas, foi possível estimar as dimensões físicas do secador. Neste ponto, foram realizados estudos relativamente à cinética da secagem e à própria secagem. Foi também estudado o transporte pneumático das sementes. Deste modo, determinaram-se as velocidades necessárias ao transporte pneumático e respectivas quedas de pressão. Por fim, foi realizada uma análise custos para que se soubesse o custo deste sistema de secagem. O estudo da secagem foi feito para uma temperatura de operação de 50ºC, tendo a ressalva que no limite se poderia trabalhar com 60ºC. A velocidade de operação é de 2,43 m/s, a altura do leito fixo é de 0,4 m, a qual sofre uma expansão durante a fluidização, assumindo o valor de 0,79 m. O valor do TDH obtido foi de 1,97 m, que somado à expansão do leito permite obter uma altura total da coluna de 2,76 m. A altura do leito fixo permite retirar o valor do diâmetro que é de 0,52 m. Verifica-se que a altura do leito expandido é inferior à altura mínima de “slugging” (1,20 m), no entanto, a velocidade de operação é superior à velocidade mínima de “slugging” (1,13 m/s). Como só uma das condições mínimas é cumprida, existe a possibilidade da ocorrência de “slugging”. Finalmente, foi necessário dimensionar o distribuidor, que com o diâmetro de orifício de 3 mm, valor inferior ao da partícula (3,48 mm), permite a distruibuição do fluido de secagem na coluna através dos seus 3061 orifícios. O inicio do estudo da secagem centrou-se na determinação do tempo de secagem. Além das duas temperaturas atrás referidas, foram igualmente consideradas duas humidades iniciais para os cereais (21,33% e 18,91%). Temperaturas superiores traduzem-se em tempos de secagem inferiores, paralelamente, teores de humidade inicial inferiores indicam tempos menores. Para a temperatura de 50ºC, os tempos de secagem assumiram os valores de 2,8 horas para a 21,33% de humidade e 2,7 horas para 18,91% de humidade. Foram também tidas em conta três alturas do ano para a captação do ar de secagem, Verão e Inverno representando os extremos, e a Meia- Estação. Para estes três casos, foi possível verificar que a humidade específica do ar não apresenta alterações significativas entre a entrada no secador e a corrente de saída do mesmo equipamento, do mesmo modo que a temperatura de saída pouco difere da de entrada. Este desvio de cerca de 1% para as humidades e para as temperaturas é explicado pela ausência de humidade externa nas sementes e na pouca quantidade de humidade interna. Desta forma, estes desvios de 1% permitem a utilização de uma razão de reciclagem na ordem dos 100% sem que o comportamento da secagem se altere significativamente. O uso de 100% de reciclagem permite uma poupança energética de cerca de 98% no Inverno e na Meia-Estação e de cerca de 93% no Verão. Caso não fosse realizada reciclagem, seria necessário fornecer à corrente de ar cerca de 18,81 kW para elevar a sua temperatura de 20ºC para 50ºC (Meia-Estação), cerca de 24,67 kW para elevar a sua temperatura de 10ºC para 50ºC (Inverno) e na ordem dos 8,90 kW para elevar a sua temperatura dos 35ºC para 50ºC (Verão). No caso do transporte pneumático, existem duas linhas, uma horizontal e uma vertical, logo foi necessário estimar o valor da velocidade das partículas para estes dois casos. Na linha vertical, a velocidade da partícula é cerca de 25,03 m/s e cerca de 35,95 m/s na linha horizontal. O menor valor para a linha vertical prende-se com o facto de nesta zona ter que se vencer a força gravítica. Em ambos os circuitos a velocidade do fluido é cerca de 47,17 m/s. No interior da coluna, a velocidade do fluido tem o valor de 10,90 m/s e a velocidade das partículas é de 1,04 m/s. A queda de pressão total no sistema é cerca de 2408 Pa. A análise de custos ao sistema de secagem indicou que este sistema irá acarretar um custo total (fabrico mais transporte) de cerca de 153035€. Este sistema necessita de electricidade para funcionar, e esta irá acarretar um custo anual de cerca de 7951,4€. Embora este sistema de secagem apresente a possibilidade de se realizar uma razão de reciclagem na ordem dos 100% e também seja possível adaptar o mesmo para diferentes tipos de cereais, e até outros tipos de materiais, desde que possam ser fluidizados, o seu custo impede que a realização deste investimento não seja atractiva, especialmente tendo em consideração que se trata de uma instalação à escala piloto com uma capacidade de 45 kgs.

Dimensionamento de um reactor de leito fluidizado para gasificação de biomassa

Na actualidade, quando se procura a diversificação energética, em especial de fontes renováveis, a gasificação surge como uma forma promissora de aproveitamento da biomassa, nomeadamente dos resíduos florestais, para a geração de energia eléctrica. Neste contexto, passou-se em revista as diversas formas de gasificação, a sua evolução histórica e os diversos tipos de reactores com as suas vantagens e desvantagens. De igual forma, foram analisadas as disponibilidades e características da biomassa no mundo e em Portugal, destacando-se as suas potencialidades e as dificuldades no seu aproveitamento. Fez-se o dimensionamento de um reactor-gasificador de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, bem como dos equipamentos complementares, sistema de alimentação, ventilador, ciclone, filtro para o gás produzido e gerador eléctrico. As dimensões dum reactor para trabalhos laboratoriais foram determinadas por cálculo das condições hidrodinâmicas, que, também, permitiram calcular o caudal de ar a utilizar. Por balanços materiais, considerando-se uma composição experimental do gás de síntese citada na literatura, determinou-se uma possível composição da alimentação e um caudal de alimentação.

Low-carbon cement with waste oil-craking catalyst incorporation

The present paper shows preliminary results of an ongoing project which one of the goals is to investigate the viability of using waste FCC catalyst (wFCC), originated from Portuguese oil refinery, to produce low carbon blended cements. For this purpose, four blended cements were produced by substituting cement CEM I 42.5R up to 20% (w/w) by waste FCC catalyst. Initial and final setting times, consistency of standard paste, soundness and compressive strengths after 2, 7 and 28 days were measured. It was observed that the wFCC blended cements developed similar strength, at 28 days, compared to the reference cement, CEM I 42.5R. Moreover, cements with waste FCC catalyst incorporation up to 15% w/w meet European Standard EN 197-1 specifications for CEM II/A type cement, in the 42.5R strength class.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Abriebsverhalten von Feststoffpartikeln in Wirbelschichten

Fluidized bed, attrition behaivior, solid particles, particle surface, bed mass, attrition coefficient, modeling, bubble fluidized bed

Entwicklung einer neuen Anströmeinrichtung für Strahlschichten

Fluidized bed, spouted bed, distributor plate, drying, modeling

Untersuchung des Flüssigkeitseintrages auf die Temperaturverteilung in Gas-/Feststoff-Wirbelschichten

Liquid separation efficiency, liquid penetration, modeling, arrays of temperature, distribution, fluidized bed, two-phase-nozzle

Beitrag zur Modellbildung von eigenschaftsverteilten dispersen Systemen am Beispiel der Wirbelschicht-Sprühagglomeration

Fluidized bed, agglomeration, granulation, population balances, modelling

Beitrag zur atmosphärischen Wirbelschichtgefriertrocknung

Fluidized bed, drying, freeze drying, adsorption, modeling

Combustibility of Paper Mill Rejects

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mekaanisen massan valmistuksen käsittävän paperitehtaan rejektija jätevirtojen poltettavuutta, jos paperitehtaan vesikiertojen sulkemisastetta lisätään. Jotta prosessin tilannetta sulkemisen jälkeen saatiin arvioitua, Anjalan paperitehtaan nykypäivän PK3:n prosessia tutkittiin kuorimolta jätevesilaitokselle. Kirjallisuusosassa käsiteltiin rejekti- ja jätevirtojen alkuperää mekaanista massaa käyttävässä paperitehtaassa. Myös tämän päivän jätevedenkäsittelyprosessit sekä sulkemisessa mahdolliset prosessiveden puhdistustekniikat esiteltiin lyhyesti. Lisäksikäytiin läpi nykypäivänä metsäteollisuudessa käytössä olevat polttotekniikat sekä polttoaineiden karakterisointi kattilan käytettävyyden ja päästöjen kannalta. Anjalan PK3:lla käytetään sekä peroksidi- että ditioniittivalkaistua tai pelkästään ditioniittivalkaistua hioketta riippuen tuotannossa olevasta lajista. PK3-prosessissa syntyneet jätevesi-, liete- ja muut jätevirrat selvitettiin molemmissa valkaisuolosuhteissa. Prosessin eniten liuennutta orgaanista ainesta sisältävät jätevesijakeet, 3-hiomon kuumankierron ja kirkassuodoksen ulosajot sekä kuoripuristimen suodos, valittiin puhdistettaviksi virroiksi prosessin sulkemista arvioitaessa. Kun peroksidivalkaisua käytettiin 3-hiomolla, TOC-kuorma jokeen oli 30 % suurempi kuin pelkällä ditioniittivalkaisulla. Jos prosessin sulkemisastetta lisättäisiin, TOC-kuorma olisi 30 %pienempi kuin tänäpäivänä peroksidivalkaisua käytettäessä (80 % puhdistustehokkuudella). Prosessin sulkemisastetta lisättäessä biolietettä muodostuisi n. 30 % vähemmän verrattuna nykytilanteeseen, sillä mikrobien ravintona käyttämää orgaanista ainesta päätyisi vähemmän jäteveteen. 3-hiomon peroksidivalkaisun vaikutus kattilan käytettävyyteen ja päästöihin oli pieni, sillä biolietteen osuus polttoaineen syötöstä oli vain 4 %. Vain osa biolietteestä muodostui 3-hiomolta peräisin olevaa orgaanista ainesta poistettaessa. Jos nykyisen pääpolttoaineen, PDF:n,osuuden jättää huomioimatta, SO2- ja NOx-päästöt sekä leijupedin sintrautuvuus ovat hiukan suuremmat käytettäessä peroksidivalkaisua 3-hiomolla kuin pelkästään ditioniittivalkaisulla. Jos kuoripuristimen ja hiomon suodosten puhdistuksen konsentraatit johdetaan poltettaviksi BFB-tyyppiseen kattilaan, leijupedin sintrautuminen tulisi olemaan suurin ongelma. Myös raskasmetalli-, SO2- ja NOx-päästöt lisääntyisivät merkittävästi verrattuna nykyiseen tilanteeseen. Sen sijaan kattilan korroosioriski tuskin lisääntyisi. Lisäksi konsentraattien kosteuspitoisuus olisi korkea, mikä tekisi poltosta kannattamatonta veden haihdutuksen vaatiessa paljon energiaa. Yksityiskohtaisempaa tutkimusta tarvitaan vielä prosessin sulkemisen vaikutuksista päästöihin ja kattilan käytettävyyteen. Myös muita konsentraattien hävittämismahdollisuuksia tulisi tutkia lisää.