تصميم مفاعل الرش باللهب (FSP) لإنتاج جسيمات نانوية من ZrO2

محمد فتحي ابحور; مصطفى أحمد  الهليب

المؤلفون

محمد فتحي ابحور قسم الهندسة الكيميائية، كلية الهندسة، الجامعة الأسمرية الإسلامية، زليتن، ليبيا
مصطفى أحمد الهليب قسم الهندسة الكيميائية، كلية الهندسة، الجامعة الأسمرية الإسلامية، زليتن، ليبيا

الكلمات المفتاحية:

تقنية الرش باللهب، إنتاج الجسيمات النانوية، ثاني أكسيد الزركونيوم، محاكاة عددية، تحسين كفاءة الإنتاج

الملخص

يركز هذا البحث على تصميم مفاعل يعتمد على تقنية الرش باللهب (FSP) لإنتاج جسيمات نانوية من ثاني أكسيد الزركونيوم (ZrO₂)، التي تتمتع بخواص فريدة تجعلها مفيدة في التطبيقات الصناعية والطبية. وتهدف الدراسة إلى تحسين عملية إنتاج هذه الجسيمات من خلال تصميم مفاعل متطور باستخدام المحاكاة الرقمية عبر برنامج. ANSYS Fluent V22 R21 تمثل مشكلة الدراسة في كيفية إنتاج جسيمات نانوية بحجم دقيق وبكميات كبيرة، مع الحفاظ على التحكم في خصائصها الفيزيائية. اعتمدت المنهجية على تصميم مفاعل يحقق معدلات إنتاج تتراوح بين 100و300جرام في الساعة، وذلك من خلال تعديل معدلات تدفق السائل من 27 إلى 81 ملليلتر في الدقيقة. تضمنت الإجراءات دراسة توزيع درجات الحرارة وسرعة تدفق الغاز داخل المفاعل، مع حساب أحجام الجسيمات النانوية. أظهرت النتائج أن التصميم الجديد للمفاعل يسمح بإنتاج جسيمات بأحجام تتراوح بين 12 و28 نانومتر، مع الحفاظ على سلامة العملية ومنع ارتفاع درجة حرارة النظام إلى مستويات خطرة. في النهاية، استنتجت الدراسة أن هذا التصميم يمكن أن يكون فعالاً لإنتاج جسيمات نانوية بجودة عالية، ويوفر الأساس لتوسيع نطاق الإنتاج وتحسين كفاءته في الدراسات المستقبلية.

التنزيلات

تنزيل البيانات ليس متاحًا بعد.

المراجع

Abubreeq, W.K. (2024). Numerical Study of Predicting Flame Temperature, Gas Velocity, and Nanoparticle Size in Flame Spray Pyrolysis. B.Sc. Project, Chemical Engineering department, Alasmarya Islamic University, Libya.

Buss, L., Meierhofer, F., Bianchi Neto, P., França Meier, H., Fritsching, U., & Noriler, D. (2019). Impact of co‐flow on the spray flame behaviour applied to nanoparticle synthesis. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 97(2), 604-615.‏

Gleiter, H. (2000). Nanostructured materials: basic concepts and microstructure. Acta Materialia, 48(1), 1-29.‏

Gröhn, A. J., Buesser, B., Jokiniemi, J. K., & Pratsinis, S. E. (2011). Design of turbulent flame aerosol reactors by mixing-limited fluid dynamics. Industrial & Engineering Chemistry Research, 50(6), 3159-3168.‏

Gröhn, A. J., Pratsinis, S. E., & Wegner, K. (2012). Fluid-particle dynamics during combustion spray aerosol synthesis of ZrO2. Chemical Engineering Journal, 191, 491-502.‏

Gröhn, A. J., Pratsinis, S. E., Sánchez-Ferrer, A., Mezzenga, R., & Wegner, K. (2014). Scale-up of nanoparticle synthesis by flame spray pyrolysis: the high-temperature particle residence time. Industrial & Engineering Chemistry Research, 53(26), 10734-10742.

Heine, M. C., & Pratsinis, S. E. (2005). Droplet and particle dynamics during flame spray synthesis of nanoparticles. Industrial & Engineering Chemistry Research, 44(16), 6222-6232.‏

Kruis, F. E., Kusters, K. A., Pratsinis, S. E., & Scarlett, B. (1993). A simple model for the evolution of the characteristics of aggregate particles undergoing coagulation and sintering. Aerosol Science and Technology, 19(4), 514-526.‏

Lu, A. H., Salabas, E. E., & Schüth, F. (2007). Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application. Angewandte chemie international edition, 46(8), 1222-1244.‏

Meierhofer, F., Mädler, L., & Fritsching, U. (2020). Nanoparticle evolution in flame spray pyrolysis—Process design via experimental and computational analysis. AIChE Journal, 66(2), e16885.‏

Mueller, R., Jossen, R., Kammler, H. K., Pratsinis, S. E., & Akhtar, M. K. (2004). Growth of zirconia particles made by flame spray pyrolysis. AIChE Journal, 50(12), 3085-3094.‏

Müller, R. (2003). Characterization and Synthesis of Nanoparticles made in Vapor and Spray Flames. Ph.D. Thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Switzerland.

Murray, C. B., Kagan, C. R., & Bawendi, M. G. (2000). Synthesis and characterization of monodisperse nanocrystals and close-packed nanocrystal assemblies. Annual Review of Materials Science, 30(1), 545-610.‏

Torabmostaedi, H., Zhang, T., Foot, P., Dembele, S., & Fernandez, C. (2013). Process control for the synthesis of ZrO2 nanoparticles using FSP at high production rate. Powder Technology, 246, 419-433.‏

Torabmostaedi, H., & Zhang, T. (2014a). Numerical Optimization of Quenching Efficiency and Particle Size Control in Flame Synthesis of ZrO2 Nanoparticles. Journal of Thermal Spray Technology, 23, 1478-1492.‏‏

Torabmostaedi, H., & Zhang, T. (2014b). Computational study of the effect of processing parameters on the formation and growth of ZrO2 nanoparticles in FSP process. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 78, 1-10.‏

Zhang, H., & Banfield, J. F. (2005). Nanoparticles in the environment: pathways, properties, and toxicity. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 59(1), 169-189.