Intensification de procédés par vibration forcée

Les études de l’intensification des transferts aux interfaces liquide-liquide par vibration forcée ont été amplifiées et diversifiées grâce à une collaboration forte avec l’Université de Perm (Prof. V. Kozlov et A. Ivanova, Russie). Une cellule vibrationnelle originale du type Lewis dédiée aux études de cinétique de transfert a été élaborée. Le mobile d’agitation rotatif est remplacé par un disque circulaire en vibration axiale (vibration-translation). Le dispositif permet de maintenir l’aire interfaciale liquide-liquide constante avec son renouvellement continu et régulier de l’interface. Une étude préliminaire⁽¹⁾ a permis d’obtenir une accélération de la cinétique de transfert d’un facteur 3 à 5. Cherchant à étendre le champ d’application aux biotechnologies industrielles (en particulier µ-algues), autre expertise du LGPM, nous avons mis au point un photo bioréacteur constitué d’un cylindre annulaire. L’espace annulaire entre les deux cylindres contient des déflecteurs semi-circulaires de taille et de nombre soigneusement choisis (brevet de l'équipe russe) ; la cuve est soumise à une vibration-rotation (« libration »). Un écoulement moyen est engendré, dépendant essentiellement du nombre de Reynolds de pulsation, permettant d’assurer l’homogénéisation de la suspension d’algues et d’éviter la sédimentation, sans provoquer des niveaux de cisaillement nuisible à la croissance des algues⁽²⁾.
Des dispositifs expérimentaux d’investigation à l’échelle locale de procédés intensifiés par vibrations ont été développés au LGPM (cf. fiche équipement). Ils permettent une observation du comportement mécanique d’un fluide soumis à des vibrations. Ils ont été appliqués à des procédés d’émulsification membranaire puis de séchage.

Effet de l’amplitude de forçage sur le diamètre des gouttes générées (à gauche) ; coïncidence (à droite) entre la fréquence de forçage (points) et la fréquence propre (loi empirique de Bisch et al. et calculs théoriques de Strani & Sabetta) des gouttes formées au-delà du seuil en fonction du diamètre des gouttes (grandeurs adimensionnées).

On a constaté que le couplage du procédé d’émulsification à des vibrations transversales de la membrane permet de diminuer la taille des gouttes formées. Pour comprendre ce phénomène, nous avons conçu un dispositif constitué d’un capillaire unique alimenté en phase dispersée et débouchant dans une phase continue (qui est soit stagnante, soit en écoulement), reproduisant ainsi la génération de gouttes par une membrane. Le capillaire peut être mis en vibration parallèlement à son axe et une caméra rapide permet le suivi en ligne (figure ci-dessus). Lorsque la phase externe est stagnante, nous avons montré qu’à fréquence de forçage fixée, de plus petites gouttes sont générées au-delà d’un seuil d’amplitude de vibration. Dans ce cas, leur fréquence propre coïncide avec la fréquence de forçage. En deçà du seuil, des gouttes plus grosses se détachent du fait de leur flottabilité. Un modèle d’oscillateur harmonique permet de rendre compte des deux régimes, de la taille des gouttes et du seuil d’amplitude en fonction de la fréquence de forçage^(3,4). Nous avons également étudié le cas où la phase externe est en écoulement perpendiculairement à l’axe du capillaire⁽⁵⁾.

D’autres travaux de recherche se concentrent sur l'étude du comportement d'une inclusion (gouttelette liquide) dans un milieu poreux oscillant. L’objectif est d’accéder à l’importance relative des différents mécanismes activés par les vibrations : transferts externes, recirculations internes, échauffement visqueux, migration liquide. Ceci doit par exemple permettre d’optimiser le séchage par application de technologies innovantes. Pratiquement, à l’échelle du pore, un pot vibrant, piloté par un générateur de signal et un amplificateur (munis d’une boucle de rétrocontrôle), est couplé à un banc optique. Par analyse d’images, ils permettent d’étudier l’effet des paramètres de vibration (fréquence, amplitude) sur le comportement du système liquide (amplitude, déphasage, courbure du ménisque, résonance). Les géométries de pores et les signaux peuvent tout aussi bien être symétriques ou asymétriques (figure ci-dessous).

Effet de l’amplitude (A) et de la fréquence (f) de vibration d’un tube capillaire sur le mouvement d’une inclusion liquide (amplitude et déphasage) : mise en évidence des effets cumulés de l’inertie, de la viscosité et des forces capillaires.

Références : (1) Kozlov N., Pareau D., Stambouli M., 2013, Mixing and separation of microorganisms assisted by vibrations Convective flows 6:274-283
(2) Kozlov N., Pareau D., Ivantsov A., Stambouli M., 2016, Steady flow instability in an annulus with deflectors at rotational vibration. Fluid Dynamics Research, IOP Publishing 48 (6): 1-19
(3) Bertrandias, A.; Duval, H.; Casalinho, J.; Giorgi, M.-L., 2015, Good vibrations - Transition in drop generation from an immersed capillary tube. EPL (Europhysics Letters) 111: 44004.
(4) Bertrandias, A.; Duval, H.; Casalinho, J.; Giorgi, M.-L., 2016, Drop generation from a vibrating nozzle in an immiscible liquid-liquid system. Physics of Fluids. 28: 102103.
(5) Bertrandias, A.; Duval, H.; Casalinho, J.; Giorgi, M.-L., 2017, Dripping to jetting transition for cross-flowing liquids. Physics of Fluids. 29: 044102.