CFD Modeling of nanoparticle formation in a plasma synthesis reactor

Abstract

La production de particules dans des réacteurs à plasma thermique revêt un grand intérêt dans la synthèse de poudres. Une vaste gamme de poudres céramiques et métalliques a été pro­ duite en utilisant des réacteurs à plasma. La taille de ces poudres est habituellement de l'ordre du micromètre et parfois au dessous de 0.1 micromètre. Il y a un très grand intérêt pour les méthodes de production de poudres avec une taille moyenne plus petite que 0.1 micromètre. Ces poudres peuvent être utilisées pour créer des matériaux nanophasiques. L'utilisation des réacteurs à plasma thermique permet d'obtenir un taux de génération élevé et des produits de bonne qualité. Les réactifs peuvent être injectés dans le réacteur plasma sous forme de poudres, de liquide pulvérisé ou de gaz. Si les réactifs sont injectés à l'état solide ou liquide, ils complètent leur évaporation dans la zone chaude du plasma. Les espèces gazeuses sont par la suite considérablement dissociées. Le gaz est ensuite refroidi en quittant la zone chaude. Finalement la nucléation et la croissance de particules auront lieu. Cette étude présente la simulation de la formation de poudres métalliques dans un réacteur plasma à induction couplée (ICP). Un gaz porteur transporte les poudres métalliques dans le réacteur où elles sont transformées en gaz. Les produits sont récupérés après un procédé de refroidissement. Le modèle considère la formation de particules par nucléation et la croissance par condensation et coagulation brownienne. Le transport des particules est du à la convection, à la thermophorèse et à la diffusion brownienne. La diffusion axiale et radiale des particules a été considérée. Le code commercial de CFD(Computational Fluids Dyanmics) FLUENT© 6.0 a été utilisé pour les calculs de la mécanique des fluides et pour la croissance des particules. Ce code est couplé avec le modèle mathématique pour la dynamique des aérosols en utilisant les trois premiers moments de la distribution de tailles des particules. La simulation est appliquée à la production de poudres de fer ultrafines. Les résultats montrent le début de la formation de particules dans le réacteur et l'évolution de la taille des particules. Les champs des propriétés macroscopiques de la population d'aérosol et la contribution des différents mécanismes (nucléation, condensation, coagulation) sont analysés pour différentes combinaisons des paramètres d'opération. Une partie des résultats sont partiellement validés avec ceux de Bilodeau.

Abstract: The present work reports on the simulation of metal powder formation in a Inductively Coupled Plasma reactor. A carrier gas transports the metal powder into the reactor in where it attains the vapor phase. The products are recovered after a quenching process. The model accounts for particle formation by nucleation and growth by condensation and brownian coagulation. Transport of particles occurs by convection, thermophoresis, and brownian diffusion. Axial and radial diffusion of particles are considered. The commercially computational fluid dynamics code FLUENT Ã 6.0, is used for the detailed calculation of the turbulent fluid flow and particle growth. This code is then completed with a model for aerosol dynamics using the first three moments of the particle size distribution. The simulation is applied for the production of ultrafine iron powders. The fields of the macroscopic properties of the aerosol population and the contribution of the different mechanisms are analyzed under various conditions. The effect of different operating parameters on the properties of the powder generated is studied."--Résumé abrégé par UMI.