Hybridizer

L’Hybridizer est un appareil développé par la société japonaise Nara Machinery (Figure I.11). C’est un système qui fournit une énergie mécanique très élevée pour l’enrobage en voie sèche. Il a été utilisé dans cette étude pour enrober des particules hôtes de gel de silice avec des particules invitées de stéarate de magnésium. Son fonctionnement sera décrit plus en détail dans le chapitre II.

Figure I.11 : Installation complète du système Hybridizer Nara (Vilela, 2005)

Il existe très peu de travaux de modélisation sur le procédé et le mécanisme d’enrobage par l’Hybridizer. Néanmoins, Honda et al. (1991 et 1994) ont pu développer un modèle théorique, basé sur des observations expérimentales, exprimant l’énergie de liaison nécessaire pour former une monocouche d’enrobage. Cette énergie a été calculée sous l’hypothèse d’une action simultanée des forces d’interactions de Coulomb et de Van der Waals. Ils ont démontré (qualitativement) l’importance de deux facteurs : les tailles des particules hôtes et

invitées et les rapports de taille entre les deux poudres, dans la formation d’une monocouche de particules fines sur la surface d’une particule hôte par enrobage en voie sèche en utilisant l’Hybridizer.

Mujumdar (2003), au cours de ses travaux de thèse, a fait une première tentative de modélisation numérique du système d’hybridation. En effet, pour simuler la chambre de mélange (Fig. I.12a), composée essentiellement d’un rotor à six lames tournant à grande vitesse, il a employé la méthode des éléments discrets (DEM) pour étudier le système. Les particules dans la chambre du mélange subissent beaucoup d’impacts entre elles, avec les lames du rotor et les parois de la chambre. Différentes données cinématiques comme l’énergie de rotation, la distribution des pressions dans la chambre, ont été calculées. L’effet des différents paramètres comme la charge des particules, et les vitesses de rotation, a été aussi étudié. Les collisions entre particules et les collisions entre particules et parois de la chambre aussi bien que les forces tangentielle et normale entre les particules ont été déterminées. Pour les simulations numériques, chaque lame du rotor a été assimilée à trois sphères se chevauchant l’une sur l’autre (Fig. I.12b). La particule est forcée de sortir par la zone de sortie et remplacée immédiatement par une autre particule générée aléatoirement. Le système de particules considéré est monodisperse et seulement composé de particules hôtes. Les simulations ont été réalisées pour différents paramètres, comme par exemple, la densité des particules et leur diamètre.

Figure I.12 a) : Chambre de mélange du système d’hybridation

Figure I.12 b) : croquis simplifié du modèle de simulation de l’Hybridizer Dans un premier temps, l’effet du flux d’air, généré dans le système pour assurer la recirculation de la poudre, a été négligé. L’analyse des collisions des particules a montré que les interactions entre particules, diminuaient graduellement avec le temps de simulation et quelles étaient plus grandes que les collisions entre les particules et les frontières d’environ un ordre de grandeur au minimum. Le calcul des forces a montré que les forces normales étaient indépendantes des paramètres opératoires (vitesse de rotation et charge des particules) et de

l’ordre de 10^–3N, alors que les forces tangentielles, de l’ordre de 10^–4N, augmentaient avec la charge des particules aussi bien qu’avec la vitesse de rotation.

L’arrangement des particules à l’intérieur de la chambre de mélange a montré que l’effet du flux d’air, induit par la vitesse de rotation élevée des lames du rotor, doit être pris en considération dans l’étude de simulation. Par conséquent, le flux d’air dans la chambre de mélange et celui dans le tube de recirculation ont été analysés par l’utilisation des techniques de calcul de la dynamique des fluides (CFD). Les résultats ont montré que la vitesse était plus élevée près des lames en raison de l’action centrifuge. Les vitesses de l’air étaient alors, de l’ordre de 30 à 50 m.s^-1 pour une vitesse de rotation du rotor de 5000 tr.min^-1. Des vortex se sont formés à la sortie du tube de recirculation, et les vitesses de l’air à l’intérieur du tuyau étaient presque uniformes et approximativement égales à 15-20 m.s^-1pour 5000 tr.min^-1. Il a été observé aussi que les vitesses du flux d’air augmentaient avec l’augmentation de la vitesse de rotation. Trois zones de vitesses différentes ont été identifiées, les vitesses les plus élevées étaient au niveau de la paroi externe de la chambre du mélange, les plus faibles au centre de la chambre et les vitesses intermédiaires au milieu de la chambre (entre l’espace des lames et le tube intérieur). Les vitesses du flux d’air calculées se sont avérées en bon accord avec celles mesurées expérimentalement par un tube de Pitot.

Les résultats de CFD ont indiqué qu’une étude d’échelle du dispositif Hybridizer peut être réalisée en maintenant la vitesse du bout de la lame constante dans les différents systèmes de tailles distinctes. En d’autres termes, les vitesses de rotation requises pour le plus grand dispositif d’Hybridizer sont plus petites que celles requises pour le plus petit dispositif d’Hybridizer.

Enfin le couplage entre les deux modèles pour saisir l’effet des vitesses de l’air sur les particules, a été effectué. Le nombre de collisions a été réduit par la présence du flux d’air. Les collisions entre particules ont augmenté exponentiellement, alors que les collisions particule-frontière ont augmenté linéairement avec le temps de simulation. Les forces normales et tangentielles ont augmenté par rapport au cas précédent (absence de flux d’air), les forces normales étaient de l’ordre de 10^-2N, et les forces tangentielles de l’ordre de 10^-3N. la qualité de l’enrobage et le temps d’enrobage a été aussi estimé par le nombre de collisions obtenues par simulation. La distribution de nombre de particules a indiqué que celles-ci étaient localisées préférentiellement dans la région entourée de lames, démontrant de ce fait, l'effet du flux d'air sur les particules.

La modélisation du tube de recirculation par la méthode DEM a été aussi réalisée. Le nombre de collisions et les forces ont été estimés pour un écoulement dans le tube de longueur

supposée équivalente à celle du tube pour prendre l’effet des courbures. Les forces étaient assez élevées, de l’ordre de 10^-1N même pour un petit nombre de particules (100), et les collisions de l’ordre de 10⁸. Les résultats indiquent également que les interactions entre les particules étaient très élevées et peuvent contribuer à l’enrobage des particules à l’intérieur du système entier.