Optical in situ characterization of lab-scale and pilot-scale burners for nanoparticle synthesis

Schneider, Florian GND

Nanoparticle-based materials enable devices and systems that can be used for improved or even new technologies for instance in the fields of health, mobility, energy conversion and energy stor-age. Continuous synthesis of high purity oxidic nanoparticles with tailored properties is commonly applied in (spray) flames and requires detailed process engineering. Comprehensive experiments and numerical simulation provide deeper insight into the fundamentals of combustion based na-noparticle synthesis as well as for up scaling towards industrial production rates. Laser-based in situ temperature and velocity measurements are of particular importance since they provide cru-cial boundary conditions for computational fluid dynamics (CFD) simulations and allow for deter-mining the temperature–time history of volume elements on their path through the reactor that is highly relevant for the property of the final product.

In this work, these quantities were investigated for lab scale and pilot scale (spray-flame) burners using multiple optical diagnostics in non reacting (cold) flows as well as in un doped and precur-sor laden (spray) flames with tungsten hexafluoride (WF6), titanium isopropoxide (TTIP), iron pen-tacarbonyl (Fe(CO)5), or iron(III) nitrate (Fe(NO3)3) as precursors. For a lab scale premixed flat flame burner, the surface temperature of the porous bronze burner matrix was investigated with infrared pyrometry during operation at commonly used synthesis conditions. Inhomogeneities in the surface temperature distribution were correlated with in situ gas phase temperature meas-urements performed with multi¬line NO laser-induced fluorescence (LIF) thermometry and the observed influence of the WF6 and Fe(CO)5 precursor concentration on the flame temperature was investigated. For a pilot scale non premixed gas burner, the gas phase velocity was measured using particle image velocimetry (PIV). Multiple non reacting operating parameter sets were in-vestigated and suggestions for improved parameters were provided. A correction for spatial varia-tion in laser sheet attenuation during multiline NO LIF thermometry was developed that is dis-cussed in the context of pilot scale nanoparticle synthesis of titania particles.

For the SpraySyn burner, an optical flame imaging benchmark was developed that ensures correct operation of the standardized lab scale spray burner across laboratories. Using phase Doppler anemometry (PDA), droplet velocities and sizes were determined in non reacting sprays of ace-tone, 1 butanol, ethanol, and n hexane as well as in the ethanol spray flame. Characteristic nozzle curves for the two-fluid nozzle of the SpraySyn burner were determined. For a pilot scale spray burner, gas phase velocity fields were measured by PIV and the droplet velocity was investigated with multi pulse shadow¬graphic red/green/blue illumination and particle-tracking velocimetry (PTV) that was successfully validated with droplet velocities determined by PIV. Spatially resolved temperature fields of the ethanol spray flame (doped with iron(III) nitrate) were acquired with multiline NO LIF thermometry in combination with laser sheet attenuation correction analyzing how the oxygen content in the dispersion gas influences the iron atom concentration (deter-mined with Fe LIF) as well as the corresponding flame temperature.

Besides providing boundary conditions for CFD simulations for all investigated burners, the pre-sented results supported the development of a reaction mechanism for iron(III) nitrate and (simu-lation aided) improvements on operating conditions and burner designs that are mandatory pre-requisites for advancement in up scaling of (spray) flame synthesis of tailored nanoparticles.

Nanopartikel-basierte Materialien ermöglichen die Entwicklung verbesserter oder sogar neuer Technologien beispielsweise in den Bereichen Gesundheit, Mobilität, Energiekonversion und speicherung. Die kontinuierliche Synthese hochreiner oxidischer Nanopartikel mit maßge-schneiderten Eigenschaften wird üblicherweise in (Spray-) Flammen durchgeführt und erfordert ein detailliertes Prozess¬verständnis. Einander ergänzende Experimente und numerische Simulati-onen bieten ein großes Potential, um weitreichende Einblicke in die Grundlagen der verbren-nungsbasierten Nanopartikelsynthese sowie das Hochskalieren hin zu industriellen Produktionsra-ten zu erlangen. Laserbasierte In-situ-Temperatur- und -Geschwindigkeitsmessungen liefern die Randbedingungen für CFD-Simulationen und ermöglichen die Bestimmung der Temperatur–Zeit-Historie reagierender Volumenelemente auf dem Weg durch den Reaktor, die die Eigenschaften des finalen Produkts bestimmt.

Diese Größen werden in der vorliegenden Arbeit an labor- und pilotskaligen (Spray-) Brennern mit mehreren optischen Messtechniken in nicht-reaktivem (kaltem) Betrieb sowie in Flammen dotiert mit Wolframhexafluorid (WF6), Tetraisopropylorthotitanat (TTIP), Eisenpentacarbonyl (Fe(CO)5) oder Eisennitrat (Fe(NO3)3) untersucht. Für einen laborskaligen Flachflammenbrenner wurde die Oberflächentemperatur der porösen Matrix mit Infrarotpyrometrie untersucht und Inhomogeni-täten der Oberflächentemperaturverteilung mit abbildenden In-situ-Gasphasentemperaturmessungen korreliert, die durch Multilinien-NO-LIF Thermometrie (laserin-duzierte Fluoreszenz) gemessen wurden. Basierend darauf wird der Einfluss der WF6- und Fe(CO)5-Prekursorkonzentration auf die Flammentemperatur untersucht. An einem pilotskaligen Gasbrenner wurde die Gasphasengeschwindigkeit mit Particle Image Velocimetry (PIV) an einer Vielzahl nicht-reaktiver Betriebspunkte untersucht, woraus Vorschläge für optimierte Betriebsbe-dingungen abgeleitet wurden. Außerdem wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die Abschwä-chung der Energie des Laserlichtblatts während der NO-LIF-Thermometrie räumlich korrigiert werden kann, was im Kontext der Synthese von TiO2 vorgestellt wird.

Für den SpraySyn-Brenner wurde ein optisches Referenzmessverfahren entwickelt, wodurch ein einheitlicher Betrieb des standardisierten Spraybrenners laborübergreifend sichergestellt wird. Mithilfe von Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) wurden für den laborskaligen Brenner Trop-fengeschwindigkeiten und -größen in nicht-reagierenden Aceton-, 1-Butanol-, Ethanol- und n Hexan-Sprays sowie in einer Ethanolsprayflamme ermittelt, woraus charakteristische Kennlinien für die Zweistoffdüse des SpraySyn-Brenners abgeleitet wurden. Für einen pilotskaligen Spraybrenner wurden Gasphasen¬geschwindigkeitsfelder mit PIV gemessen während Tropfenge-schwindigkeiten durch Schattenwurf einer Folge rot/grün/blauer Lichtpulse und anschließender Particle-Tracking-Velocimetry (PTV) bestimmt wurden, die erfolgreich anhand von PIV-Tropfengeschwindigkeiten validiert werden konnten. Räumlich aufgelöste Temperaturfelder (ei-sennitratdotierter) Sprayflammen wurden durch NO-LIF-Ther¬mo¬metrie unter Anwendung Laser-lichtblatt-Absorptionskorrektur gemessen, sodass der Einfluss des Sauerstoffgehalts im Dispersi-onsgas auf die Eisenatomkonzentration (ermittelt mit Fe-LIF) und die resultierende Flammentem-peratur analysiert werden konnte.

Neben der Bereitstellung von Randbedingungen für CFD-Simulationen für alle untersuchten Brenner, können die vorgestellten Ergebnisse für die Entwicklung eines Reaktionsmechanismus für Eisen(III)-nit¬rat sowie (simulationsgestützte) Optimierungen von Betriebsbedingungen und Brennerkonstruktionen genutzt werden, die notwendige Voraussetzungen für Fortschritte beim Hochskalieren der Flammensynthese von maßgeschneiderten Nanopartikeln sind.

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Schneider, F., 2020. Optical in situ characterization of lab-scale and pilot-scale burners for nanoparticle synthesis. https://doi.org/10.17185/duepublico/72817
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