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Statistical modelling of the spouted bed coating process using positron emission particle tracking (PEPT) data

Authors

  • C. Seiler,

    1. Department of Chemical Engineering, Centre for Formulation Engineering, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, U.K.
    Current affiliation:
    1. Merck Sharp & Dohme, Hoddesdon, Hertfordshire EN11 9BU, U.K.
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  • P. J. Fryer,

    1. Department of Chemical Engineering, Centre for Formulation Engineering, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, U.K.
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  • J. P. K. Seville

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, Centre for Formulation Engineering, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, U.K.
    Current affiliation:
    1. School of Engineering, University of Warwick, Coventry CV4 7AL, U.K.
    • Department of Chemical Engineering, Centre for Formulation Engineering, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, U.K.
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Abstract

Coating of particles larger than about 1 mm can be achieved in a spouted bed, a particle mobilization device in which a strong particle circulation occurs, rapidly upwards in a lean central “spout” region and downwards in a slowly moving annular settled bed. In a spouted bed coater, a spray nozzle is placed at the base of the spout, spraying upwards into a distinct coating zone. The coating formation in a spouted bed is inter alia a function of (i) the particle motion, that is, how often and where particles enter and traverse the coating zone and (ii) the extent of droplet collection by individual particles passing through the coating zone.

The coating model proposed here is based on the statistical history of individual particles, whose projected area governs the collection of spray droplets in the coating zone. Positron emission particle tracking (PEPT) has been used to determine the particle trajectories, the distribution of cycle times and the size and voidage of the spout. Whilst the model is not capable of delivering absolute values of coating mass a priori, it can predict deviations from a mean, which can itself be determined from an overall mass balance.

To validate the model, a spouted bed coating process was studied in which coarse PVC spheres were coated with the hot-melt coating material polyethylene glycol (PEG) 1500. Coating mass distributions, derived from the weight data of individual particles before and after manual coating removal, compared (for the studied conditions) very well with the predictions of the model.

Abstract

L'enduction de particules plus grosses que 1 mm peut être effectué dans un lit jaillissant, un dispositif de mise en mouvement de particules dans lequel se produit une forte circulation des particules. Cette circulation se caractérise par un mouvement ascendant rapide dans une région « de jet » centrale mince, et par un mouvement descendant lent dans un lit annulaire déposé. Dans une coucheuse à lit jaillissant, un orifice d'injection est placé à la base du jet, vaporisant en direction ascendante dans une zone d'enduction distincte. La formation de la couche dans un lit jaillissant est inter alia une fonction, d'une part, du déplacement des particules, c'est-à-dire combien de fois et où les particules entrent et traversent la zone d'enduction, et d'autre part, de l'importance de la collecte de gouttelettes par les différentes particules traversant la zone d'enduction.

Le modèle d'enduction proposé ici repose sur l'histoire statistique des différentes particules, dont la surface projetée gouverne la collecte de gouttelettes vaporisées dans la zone d'enduction. On a eu recours au traçage des particules par émission de positrons (PEPT) pour déterminer les trajectoires des particules, la distribution des temps de cycles et la taille et le degré de vide du jet. Alors que le modèle n'est a priori pas capable de fournir des valeurs absolues de la masse de couche, il peut prédire les écarts par rapport à la moyenne, ce qui peut aussi être déterminé à partir d'un bilan de matière global.

Pour valider le modèle, un procédé d'enduction à lit jaillissant a été étudié, dans lequel des sphères grossières de PVC ont été enduites avec du polyéthylène glycol 1500 (PEG) fondu. Les distributions de masse de couche, calculées d'après les données de poids des différentes particules avant et après le retrait manuel de l'enduit, se comparent très bien (pour les conditions étudiées) avec les prédictions du modèle.

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