Application of computational fluid dynamics to spray drying

Abstract - In the computational fluid dynamics (CFD) analysis of spray dryers, the Euler-Lagrange model is used to compute the motions of the spray droplets and the heat and mass transfers between the droplets and the air stream. Such calculations are performed for hundreds to tens of thousands of droplets to represent the spray in the dryer. One limiting factor in drying mass transfer is the internal diffusion of water moisture inside partially dried particles. In order to model this internal diffusion of water moisture, each particle is represented by a series of concentric spherical shells. A one-dimensional diffusion equation is solved over these shells to obtain the internal distribution and diffusion of water moisture inside each particle. A key strength of CFD is the ability to carry out what-if and optimization analyses quickly. As an example, a dryer with a given set of feed conditions was considered. CFD simulations were carried out with the aim to find the optimum condition for the drying air. Key information of interest to the plant operator were extracted from the CFD results and presented in percentages of particles leaving the particle and air exits, and the particle conditions at these exits in terms of mean diameter, temperature and moisture content. From these results, the operator of the dryer can easily select the optimum operating conditions, which allows him to achieve the desired product quality at minimum cost.

Résumé - Application de la dynamique des fluides calculée par ordinateur (CFD) au séchage par atomisation. Dans l'analyse de la dynamique des fluides dans les tours de séchage par atomisation, le modèle d'Euler-Lagrange est utilisé pour calculer les déplacements des gouttelettes et les transferts de chaleur et de masse entre les gouttelettes et le flux d'air. Ces calculs sont réalisés pour des centaines à des dizaines de milliers de gouttelettes pour représenter la pulvérisation dans la tour de séchage. Un facteur limitant dans le transfert de masse au cours du séchage est la diffusion interne d'eau à l'intérieur des particules partiellement séchées. Pour modéliser cette diffusion interne d'eau, chaque particule est représentée par une série de coquilles sphériques concentriques. La résolution d'une équation de diffusion mono-dimensionnelle sur ces sphères permet d'obtenir la distribution et la diffusion interne d'eau dans chaque particule. Un atout majeur de la CFD réside dans la possiblité de mener rapidement des analyses d'évaluation et d'optimisation. Par exemple, un équipement de séchage avec un jeu donné de paramètres d'alimentation a été étudié. Les simulations CFD ont été réalisées dans le but de déterminer les conditions optimales pour l'air de séchage. Les informations-clés d'intérêt pour l'opérateur ont été extraites des résultats de CFD et présentées en pourcentages de particules quittant les sorties, et les caractéristiques des particules à ces sorties en termes de diamètre moyen, de température et de teneur en humidité. A partir de ces résultats, l'opérateur de la tour de séchage peut aisément sélectionner les conditions opératoires optimales lui permettant d'obtenir la qualité désirée du produit au moindre coût.