Experimental and numerical study of the continuous fluidized bed dryer

Abstract

Nowadays, batch fluid-bed drying is one of the most efficient drying methods for particulate material; but at the same time, it is the most energy consuming operation in the manufacturing of solid dosage forms. To minimize cost and speed up the production of pharmaceutical products, the continuous manufacturing emerges as an important alternative. The advantages of this technology in comparison to the batch fluid bed dryer, which is the most predominant in the industry is to reduce cycle times, optimize for faster production, guarantee real-time quality assurance. This work was oriented to understand the continuous fluidized bed drying phenomena by using numerical simulations and experimentation. I designed a prototype of a continuous fluid bed dryer by using computer aided design CAD coupled with computational fluid dynamic simulations CFD. The equipment promotes back-mixing and the transportation of the particles through the units, by the momentum exerted by the inlet airflow without requiring a mechanical assistant to exit. The effect of the inlet air velocity and inlet air temperature were evaluated at different initial moisture contents of the lactose granules. A two-phase model proposed by Burgschweiger and Tsotsas[1] included in the processing system engineering tool gSOLIDS for PSE Enterprise was used to understand the interaction of the process parameters with the performance of the novel continuous fluid bed dryer. The two mass transfer correlations were evaluated to describe the drying kinetics of the particles in the emulsion phase. It was found that the inclusion of the mass transfer correlation proposed by Rhode, result on better predictions of the moisture content of the granules at the outlet of the continuous fluid bed dryer. Finally, the coupling of computation fluid dynamics with discrete elements methods simulations was used to visualize the fluidization patterns inside the equipment. In this way was possible to visualize the residence time of the particles.

Actualmente, el secado por lecho fluido por lotes, es una de los métodos más eficientes para el secado de materiales particulados; al mismo tiempo, es una de las operaciones que tienen el mayor consumo de energía en la manufactura de tabletas. Por consiguiente, para minimizar los costos y acelerar la producción de productos farmacéuticos, la manufactura continua se ofrece como una alternativa importante. La implementación de esta tecnología en comparación con el secado por lecho fluido tradicional, es que reduce el tiempo de operación, se puede alcanzar una mayor producción y se garantiza el control de calidad en tiempo real. Por consiguiente, este proyecto de investigación está orientado a entender el secado continuo por lecho fluido usando simulaciones y experimentación. Diseñé un prototipo de un secador continuo por lecho fluido fue diseñado usando diseño asistido por computadora acoplado a simulaciones computacionales de fluidos CFD. El equipo proporciona el mezclado de las partículas y el transporte de las mismas a través de la unidad debido al momento impartido por el fluido, de esta manera el equipo no requiere de asistencia mecánica para transportar las partículas hacia la salida del sistema. El efecto de la velocidad de entrada del aire y la temperatura de bulbo seco, fueron evaluados a diferentes condiciones iniciales de contenido de humedad de los gránulos. El modelo de dos fases propuesto por Burgschweiger and Tsotsas [1] incluido en el programa gSOLIDS por la compañía PSE Enterprise fue usado para entender la interacción de los parámetros de proceso con el rendimiento del prototipo propuesto. Dos correlaciones de coeficiente de transferencia de masa fueron evaluadas para describir la cinética de secado de las partículas en la fase de emulsión. Se encontró que la inclusión del coeficiente de transferencia propuesto por Rhode, ofrecía mejores predicciones del contenido de humedad de los gránulos a la salida del secador continuo/ Finalmente, fue posible visualizar los patrones de fluidización de los gránulos en el equipo mediante la implementación de simulaciones computacionales de fluidos CFD integradas con simulaciones de elementos discretos DEM y de esta manera fue posible determinar el tiempo de residencia de las partículas.