L'invention a trait au procédé de fabrication de granules d'un produit, selon lequel:
on on liquéfie ce produit;
on forme, à partir de ce produit liquéfié, un jet à écoulement laminaire; on on fractionne ce jet en un chapelet de gouttelettes en le soumettant à une perturbation périodique de fréquence déterminée:
on on solidifie ces goutelettes sous forme de sphérules;
et et on collecte ces sphérules qui constituent lesdits granules.
Ce procédé est bien connu, mais il se heurte à une difficulté importante due au fait que plus les sphérules doivent être petites, plus le jet liquide doit être fin. Ce jet étant obtenu à l'aide d'un ajutage. c'est le diamétre de cet ajutage qui va définir la dimension des sphérules. Or, pour obtenir des sphérules réguliéres, il faut disposer d'un jet très stable dans lequel l'écoulement est laminaire, au moins à l'origine du jet. Cette condition nécessite donc une régularité parfaite de l'ajutage, lequel doit être exempt de défauts tels que bavures. ovalisation, rugosité, etc.
Cependant, plus le diamètre de l'ajutage devient petit, plus il est difficile de remplir ces conditions: en effet, un défaut de dimension donnée, par exemple de 10 microns, conduit à une irrégularité de 2% pour un ajutage de 5 mm de diamètre, mais à une irrégularité de 10% pour un ajutage de 0,1 mm de diamètre. Le procédé en question rend donc très délicate l'obtention d'une granulation fine qui soit régulière. et cela faute de pouvoir réaliser un ajutage de petite dimension capable de donner naissance à un jet liquide qui soit simultanément très fin et animé d'un écoulement laminaire.
En outre, il peut arriver que la substance à granuler présente, à l'état liquide, une viscosité telle que le jet ne se fractionne pas en sphérules autonomes. mais en un chapelet de masselottes attachées les unes aux autres par un très mince filet qui refuse de se rompre. Ce phénomène s'observe notamment lorsque les forces de viscosité l'emportent sur les forces de tension superficielle: ces dernières n'arrivent pas à amincir le filet de substance liquide au point de le rompre avant qu'il soit solidifié. Il est évident que, une fois la substance solidifiée, ce filet solide finit par céder aux sollicitations que le chapelet de masselottes subit par la suite, mais les granules qu'on obtient ainsi ne sont pas rigoureusement sphériques et n'ont pas rigoureusement la même masse.
La granulation au jet ne donne donc pas satisfaction lorsque la substance liquéfiée présente une viscosité appréciable.
Il est connu, d'autre part, de recourir à la technique du jet fractionné pour réaliser l'encapsulation d'une première substance dans une seconde substance, cette seconde substance devant être solide dans les conditions normales de température, de sorte que la première substance, qui peut être liquide ou solide dans les conditions normales. constitue un noyau enrobé dans une coquille constituée par la seconde substance. Selon les techniques connues, on recourt, dans ce cas, au fractionnement d'un jet composite comprenant une ame, qui est constituée par la première substance. et une gaine, qui emprisonne cette âme et qui est constituée par la seconde substance. En d'autres termes, cette technique d'encapsulation revient à granuler I'ensemble des deux substances mis sous la forme d'un jet composite .
Comme dans la granulation pure. à partir d'un jet simple d'une substance unique, ce sont les forces de tension superficielle qui sont responsables de la formation des gouttelettes, lesquelles sont elles-mêmes composites. la seconde substance constituant la coquille dans laquelle est emprisonné le noyau constitué par la première substance. On se rend compte aisément que cette technique d'encapsulation par fractionnement d'un jet composite se heurte aux mêmes difficultés que la technique de granulation pure par fractionnement d'un jet simple.
Le procédé qui fait l'objet de l'invention recourt à une technique connue qui consiste à engendrer, dans le cas de la seule granulation, deux écoulements coaxiaux, le premier étant constitué par le produit à granuler et le second par un liquide non miscible dans le premier, et, dans le cas de l'encapsulation, trois écoulements coaxiaux, le premier étant constitué par le produit à encapsuler, le deuxième par le produit liquéfié destiné à former la capsule et le troisième par un produit non miscible dans le deuxième.
Cette technique, qui est décrite notamment dans le brevet suisse No 478590, consiste à créer ces écoulements à l'intérieur d'un conduit qui confine l'écoulement du liquide externe, à donner à cet écoulement externe une vitesse suffisamment élevée pour amener le ou les écoulements internes à se fractionner en masselottes et à donner à cet écoulement externe une température telle que les masselottes se solidifient, soit dans leur entièreté s'il s'agit de granulation, soit dans la couche externe d'enrobage que forme le deuxième liquide, s'il s'agit d'encapsulation. En d'autres termes, cette technique utilise le fractionnement naturel de la veine, simple ou composite, constituée par le/les écoulement(s) interne(s) emprisonné(s) dans l'écoulement externe.
Or, ce fractionnement naturel est essentiellement aléatoire et il donne lieu à un produit granulé, ou encapsulé, dont la granulométrie a une distribution très large. Or, cette large distribution de la granulométrie est incompatible avec maintes utilisations ultérieures du produit obtenu, notamment celles qui exigent un dosage précis (cas des pesticides, par exemple) ou un épandage uniforme (cas des fertilisants), et, par conséquent, nécessitent une granulométrie très strictement définie (c'est-à-dire peu dispersée et à moyenne bien déterminée).
Un premier objet de l'invention est un procédé qui élimine ces difficultés. Ce procédé est caractérisé par le fait que l'on forme autour du jet, en contact avec lui, une enveloppe faite d'un autre liquide non miscible avec le produit liquéfié, que l'on imprime à cette enveloppe un écoulement laminaire à une vitesse au moins égale à celle du jet et que l'on applique ladite perturbation au jet habillé de cette enveloppe liquide, le tout de manière que ce jet, avant d'être soumis à cette perturbation, subisse au plus, de la part de cette enveloppe, un étirage hydrodynamique résultant de la différence entre sa vitesse d'écoulement et celle de cette enveloppe.
Un second objet de l'invention est un dispositif de granulation mettant en oeuvre le procédé ci-dessus. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comprend: une buse cylindrique disposée autour de l'ajutage, coaxiale
ment à ce dernier, et pourvue d'un raccord permettant de la
relier à une source d'un autre liquide, non miscible avec celui
du jet, cette buse étant agencée de manière à créer, autour du
jet, une enveloppe à écoulement laminaire, faite de cet autre
liquide:
: un moyen de réglage permettant, en agissant en amont de cet
ajutage et de cette buse, de régler la vitesse relative entre le jet
et l'enveloppe, de manière que la vitesse de cette dernière soit
au moins égale à celle du jet; - et par le fait que lesdits moyens de perturbation sont agencés
de manière à appliquer ladite perturbation périodique au jet
habillé de cette enveloppe liquide, le tout de sorte que, avant
d'être soumis à cette perturbation, le jet habillé de cette enve
loppe subisse au plus, de la part de cette dernière, un amin
cissement dû à l'accélération provoquée par la différence entre
sa vitesse, sa vitesse d'écoulement propre et celle de cette
enveloppe.
La description qui suit se rapporte au procédé, à deux formes de réalisation du dispositif, données à titres d'exemples, et à deux exemples d'application. Elle est illustrée par le dessin annexé, dans lequel:
La fig. I représente, en coupe, la première forme de réalisation, utilisée dans le cadre du premier exemple d'application.
La fig. 2 représente, en coupe, la deuxième forme de réalisation, utilisée dans le cadre du second exemple d'application.
Le procédé repose sur le fait que les forces engendrées à l'interface de deux écoulements coaxiaux, dont l'écoulement interne possède une vitesse inférieure à celle de l'enveloppe consti tuée par l'écoulement externe, sont telles que le second tend à entraîner le premier et à en accroître la vitesse jusqu'à amener celle-ci à être, au bout d'un certain parcours le long duquel cet écoulement interne est accéléré, sensiblement égale à la vitesse de l'écoulement externe. Comme le débit de l'écoulement interne doit, conformément à la loi de continuité, conserver en tout point une même valeur, le diamètre de cet écoulement doit diminuer lorsque sa vitesse croît.
Il en résulte que l'on peut transformer un écoulement de section relativement grande en une veine liquide dont le diamètre s'amenuise au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'endroit où a lieu l'injection du premier écoulement (interne) dans le second (externe). Ce phénomène, qui s'observe pour des écoulements laminaires faits de liquides non miscibles l'un dans l'autre est, bien entendu, limité par la longueur que peut atteindre la veine, laquelle finit toujours, sous l'effet de perturbations inévitables, par se fractionner en gouttelettes noyées au sein de l'écoulement externe. Mais il présente l'avantage de laisser l'écoulement interne conserver, sur toute la longueur de la veine, le caractère laminaire qu'il possède à l'endroit de l'injection.
On a donc là une possibilité d'engendrer un écoulement fini qui reste laminaire malgré son faible diamètre. Cette possibilité permet de surmonter la difficulté qu'il y a à réaliser un ajutage de très petit diamètre qui ait les qualités requises (régularité de forme et poli de surface, notamment) pour donner naissance à une veine à écoulement laminaire.
Au lieu d'injecter un écoulement interne simple dans l'enveloppe que forme l'écoulement externe, on peut injecter un écoulement interne composite, c'est-à-dire constitué par une âme, formée d'un premier liquide, entourée d'une gaine, formée d'un second liquide. Ce premier écoulement, composite, au sein duquel les deux composants ont la même vitesse, est injecté comme précédemment, dans l'axe du second écoulement, lequel possède une vitesse supérieure à celle de l'écoulement composite interne.
C'est ce dernier qui est étiré par voie hydrodynamique, ce qui produit une veine composite à la fois très fine et parfaitement laminaire, résultat qui ne pourrait guère être obtenu avec des ajutages ayant la finesse requise. A titre d'exemple, on a pu réaliser ainsi des veines simples (parfaitement laminaires) de pétrole, ces veines étant étirées par une enveloppe constituée par un écoulement d'eau; leur diamètre était de l'ordre de quelques microns. On a également réalisé des veines comprenant une âme d'eau entourée d'une gaine de paraffine fondue, ces veines composites, parfaitement laminaires elles aussi, étant étirées par une enveloppe constituée par un écoulement d'eau chauffée à la température de fusion de la paraffine. Là aussi, on a pu atteindre des diamètres de l'ordre du micron.
Le procédé décrit permet donc de réaliser un écoulement très fin, à régime laminaire, qui se présente sous forme d'une veine, simple ou composite, emprisonnée au centre d'une enveloppe faite d'un écoulement externe de diamètre relativement grand.
Le dispositif qui met en oeuvre ce procédé est très simple. Une première forme de réalisation est visible à la fig. 1. Ce dispositif, qui est destiné à l'obtention d'une veine simple, comprend une buse cylindrique externe 1 et un ajutage interne 2. Cet ajutage interne n'est en fait que l'extrémité d'un tuyau 3 qui traverse la paroi supérieure 4 d'une chambre de stabilisation 5 située en amont de la buse externe 1. Cette buse et cet ajutage ont des sections circulaires et ils sont maintenus coaxiaux l'un à l'autre par un joint soudé 6 ménagé à l'endroit où le tuyau 3 traverse la paroi 4. Ce tuyau 3 est raccordé par une vanne 7 à une canalisation d'alimentation 8 reliée à une source (non représentée) d'un premier liquide 9.
Cette vanne 7 comprend un pointeau 10 qui coopère avec un siège 1 1 et qui est commandé par une tige filetée 12 manoeuvrée par un poulet 13; elle permet de régler la vitesse de l'écoulement interne 14 engendré par l'ajutage 2; La chambre 5 est reliée, par une canalisation 15, à une source (non représentée) d'un autre liquide 16, non miscible dans le premier.
Cet autre liquide constitue un écoulement externe 17, qui encercle l'écoulement interne 14 et qui s'échappe de la buse 1 sous la forme d'une enveloppe 18. Le diamètre de la buse 1 a une valeur qui est un multiple de la valeur du diamètre de l'ajutage 2, de sorte que l'écoulement externe 17 est beaucoup plus important que l'écoulement interne 14. La pression du liquide 16 dans la canalisation 15 est choisie de manière que l'écoulement externe 17 soit laminaire, avec une vitesse VO, et la vitesse de l'écoulement interne 14 est ajustée à l'aide du poulet de commande 13 de la vanne 7 à une valeur V1 < Vo, de manière que le liquide de cet écoulement interne 14 soit accéléré par l'écoulement externe 17, au moment où le premier est injecté dans l'axe du second.
Il en résulte que l'écoulement interne 14 se transforme peu à peu en une veine étirée 19, noyée dans l'axe de l'enveloppe 18. Cette veine, dont la vitesse est égale à celle qui règne dans l'axe de l'enveloppe, a un diamètre fortement réduit par rapport au diamètre de l'écoulement interne 14, lequel est déterminé par le diamètre de l'ajutage 2; mais elle conserve le caractère laminaire qu'avait cet écoulement interne.
La fig. 2 montre une deuxième forme de réalisation du dispositif, destinée à l'obtention d'une veine fine composite, à deux composantes. On reconnaît la buse externe 1 donnant naissance au second écoulement 17, la chambre 5 et la canalisation 15 par laquelle cette buse est alimentée en liquide vecteur 16. Au lieu d'un ajutage interne simple, il y a ici un ajutage composite comprenant deux buses coaxiales 30, 37 fixées elles-mêmes à l'intérieur de la buse externe 1 dans une position coaxiale à cette dernière.
La buse médiane 30 est reliée, par une vanne 32 et une canalisation 33, à une source (non représentée) d'un liquide 34 constituant la composante externe 43 de l'écoulement composite 44. La buse centrale 37 est reliée par une vanne 38 et une canalisation 39 à une source (non représentée) d'un liquide 40 constituant la composante interne 42 de l'écoulement composite 44. Les vannes 32 et 38 sont réglées de manière que les vitesses V(]1 et VQ1 des composantes 42 et 43 de l'écoulement 44, qui est donc composite, soient égales entre elles, et de manière que la valeur commune V1 de ces vitesses soit inférieure à la vitesse V0 de l'écoulement externe 17.
Il se produit alors le même phénomène que dans le cas précédent, à savoir l'étirage de l'écoulement composite 44, par l'écoulement externe 17, et ce dispositif engendre une veine étirée 36, composite, dont le diamètre est fortement réduit par rapport au diamètre de l'écoulement 44. Les seules conditions à respecter sont que les vitesses VX 1 et vf7 des composantes de l'écoulement 44 soient les mêmes, que cet écoulement soit laminaire, et que les liquides qui sont en contact ne soient pas miscibles les uns dans les autres.
Ainsi, le liquide 40 constituant la composante intérieure 42 ne doit pas être miscible dans le liquide 34 constituant la composante 43, et cette dernière ne doit pas être miscible dans le liquide 16 de l'écoulement externe 17. Mais les liquides 16 et 40 pourraient fort bien être les mêmes, puisqu'ils sont séparés l'un de l'autre par le liquide 34 de la composante externe 43 de l'écoulement composite 44. En outre, l'écoulement externe 17 doit être laminaire et sa vitesse V0 doit être supérieure à la vitesse V1 commune aux deux composants de l'écoulement interne composite 44.
Quant à l'application du procédé à la granulation d'un produit liquéfié, elle consiste à utiliser ce produit liquéfié en qualité de liquide constituant l'écoulement interne 14 (fig. 1), et à provoquer de manière délibérée le fractionnement en gouttelettes de la veine effilée 19 en laquelle, comme on l'a vu, se mue cet écoulement interne. Pour cela, le dispositif, ou mieux son ajutage interne 2, est relié à une source de vibrations capable de provoquer des perturbations périodiques de l'écoulement de la veine effilée 19.
Dans ce but, l'ajutage 2 qui engendre l'écoulement interne 14 est attaché, par l'intermédiaire de la vanne 7, à l'élément mobile 50 d'un vibreur 51 qui imprime à cet ajutage des vibrations axiales représentées par la double flèche 52. On sait, en effet, qu'une perturbation appliquée à un écoulement en forme de jet (et la veine 19 constitue, en fait, un jet au milieu d'une masse 18) pro toque une déformation de la surface extérieure du jet, déformation qui s'amplifie exponentiellement, au fur et à mesure qu'on s'éloigne du point d'application des perturbations, jusqu'à avoir une amplitude égale au rayon du jet. moment à partir duquel le jet se scinde en tronçons qui, sous l'influence de la tension interfa cigale, prennent rapidement la forme de sphérules.
La longueur des tronçons étant définie par la longueur d'onde de la déformation le long du jet. il s'ensuit que, à vitesse donnée du jet et à fréquence donnée de la perturbation, la longueur des tronçons en lesquels se scinde le jet est imposée. II se trouve que la vitesse de croissance de l'amplitude de la déformation est maximale lorsque sa longueur d'onde est égale à 4,5 fois le diamètre du jet (loi de Rayleigh), et que la perturbation est pratiquement sans effet lorsque la longueur d'onde de la déformation est inférieure au diamètre du jet.
On voit donc que si l'enveloppe libre 18 a un diamètre supérieur à 4,5 fois celui de la veine 19, une déformation périodique ayant la longueur d'onde qui correspond à la fréquence de
Rayleigh relative à cette veine, sera sans effet sur l'enveloppe 18, et seule la veine 19 sera fractionnée en un chapelet de gouttelettes 54. C'est pourquoi une éventuelle transmission à la buse 1 et, par elle, à l'écoulement externe 17, de tout ou partie de la vibration imposée à l'ajutage 2 par le vibreur 51 ne provoque pas le fractionnement de l'enveloppe 18. On se trouve donc en présence d'un chapelet 53 de gouttelettes 54, noyées dans cette enveloppe 18.
Pratiquement, afin de réduire la dimension des gouttelettes 54. on choisit la fréquence du vibreur 51 de manière que la longueur d'onde de la déformation soit égale au double du diamètre de la veine, ce qui oblige le vibreur à fournir un peu plus d'énergie pour assurer le fractionnement. En choisissant, en outre, comme liquide 16 constituant l'écoulement externe 17, donc l'enveloppe 18, un liquide propre à provoquer la solidification du premier liquide 9, les gouttelettes 54 se transforment rapidement en sphérules solides. On obtient ainsi la granulation du produit qui, après avoir été liquéfié au préalable, constitue l'écoulement interne 14.
Du fait que la veine 19 en laquelle se mue cet écoulement sous l'effet de l'étirage hydrodynamique provoqué, l'enveloppe libre 18 a un très faible diamètre, du fait que cet étirage conserve à cette veine le caractère laminaire que possède l'écoule- ment 14 et du fait que le fractionnement de cette veine laminaire est commandé par les vibrations forcées 52, on obtient des sphérules de très petite taille. dont la dimension est très régulière, déterminée qu'elle est par la fréquence de ces vibrations forcées.
En d'autres termes, on réalise une granulation très fine dont les granules ont une taille très régulière, une forme parfaitement sphérique et possèdent une granulométrie très peu dispersée.
Une application similaire est possible avec le dispositif de la fig. 2. Dans ce cas, c'est, de préférence. à la buse externe 30 de 'ajutage composite qu'on applique les perturbations. A cet effet, c'est la vanne 32 commandant le débit de la composante externe 43 de l'écoulement composite 44 que l'on attache à l'élément mobile 50 du vibrateur 51. On obtient ainsi le fractionnement de la veine composite 36 en un chapelet 53 de gouttelettes composites 54 dont chacune comprend un noyau 55, qui est formé par le liquide 40 dont est constituée la composante interne 42 de l'écoulement composite 44. et qui est entouré d'une enveloppe 56 formée par ce liquide 34.
Si l'on prend pour le liquide 34 constituant la composante externe 43 un produit solidifiable au sein du liquide 16 constituant l'enveloppe 18, ces gouttelettes se muent en sphérules comprenant une coquille solide qui résulte de la solidification de l'enveloppe 56. et un noyau, qui peut être liquide ou solide suivant que la composante interne 42 de l'écoulement composite 44 est solidifiable ou non. On réalise ainsi l'encapsulation du produit liquéfié 40 et les capsules sphériques que l'on obtient ont les mêmes qualités que les sphérules obtenues avec un écoulement interne simple. à savoir finesse, régularité de forme et faible dispersion de granulométrie.
Le recours au dispositif représenté à la fig. I est particulièrement indiqué lorsque le produit à granuler se présente, une fois liquéfié, sous la forme d'un liquide à haute viscosité dans lequel l'effet des forces de tension superficielle, responsables de la déformation qui fait passer les masselottes liquides en lesquelles se scinde le jet de la forme ovoïde qu'elles ont au moment du fractionnement à la forme sphérique qui est celle des gouttelettes finales, est masqué par l'effet des forces de viscosité, lesquelles freinent cette déformation.
Dans ce cas, c'est moins l'étirage hydrodynamique de la veine 19 par l'enveloppe liquide 18 animée d'une vitesse V0 > V1 qui est recherché que l'utilisation de la tension superficielle du liquide 16 de cette enveloppe pour réaliser des gouttelettes relativement massives emprisonnant un noyau constitué du produit liquéfié 9. Dans ce cas, la fréquence de la perturbation qui provoque le fractionnement forcé est adaptée au diamètre et à la vitesse de l'enveloppe 18. Pratiquement, on choisit une fréquence telle que le rapport entre la longueur d'onde de la perturbation et le diamètre de l'enveloppe soit compris entre 2et4,5.
Dans le cas où l'on veut procéder, par fractionnement forcé d'un jet composite, à l'encapsulation d'un premier produit dans un second et où ce second produit possède, une fois liquéfié. une viscosité trop élevée pour que la formation des gouttelettes composites soit satisfaisante. on recourra au dispositif représenté à la fig, 2 et l'on adaptera, de manière analogue, la fréquence de la perturbation à la vitesse et au diamètre de l'enveloppe liquide, afin de constituer avec cette dernière des gouttelettes sphériques relativement massives emprisonnant un noyau sphérique composite formé d'une sphère du premier produit entourée d'une couche du second produit.
Dans les deux cas, on choisira pour la température du liquide 16 formant l'écoulement externe 17 une valeur telle que la solidification du produit constituant le jet 19 (fig. 1), respectivement la gaine 35 (fig, 2), ne puisse commencer avant que l'enveloppe n'ait été fractionnée en le chapelet de gouttelettes requis.
C'est la raison pour laquelle il est prévu de disposer autour de la chambre 5 un corps de chauffe, par exemple le serpentin tubulaire 60 (représenté en traits interrompus, vu son caractère facultatif), dans lequel circule un fluide (liquide ou vapeur) de rechauf- fage.
En résumé, le procédé qui vient d'être décrit se prête à trois applications principales, à savoir: la granulation en sphères minuscules d'un produit préalable
ment liquéfié sous la forme d'un liquide fluide, le diamètre des
sphères obtenues étant inférieur à celui que permettent
d'atteindre les procédés connus et ayant une dispersion très
faible autour de sa valeur moyenne; -- I'encapsulation. en microcapsules sphériques. d'un produit.
naturellement liquide ou liquéfié au préalable. dans un produit
d'enrobage préalablement liquéfié; la granulation en sphères, minuscules ou non, d'un produit
préalablement liquéfié sous la forme d'un liquide ayant une
viscosité trop élevée pour pouvoir être granulé par les procé
dés connus utilisant le fractionnement d'un jet simple, ou
l'encapsulation en capsules sphériques d'un produit dans un
produit d'enrobage liquéfié trop visqueux pour se prêter à une
encapsulation usuelle par fractionnement d'un jet composite.
Dans le premier et le deuxième cas. on donne à la perturbation forcée imprimée au jet une fréquence qui est adaptée au diamètre de la veine 19 et 36, respectivement. veine qui est simple dans le premier cas et composite dans le deuxième. Dans le troisième cas, on donne à cette perturbation forcée une fréquence adaptée au diamètre de l'enveloppe externe 18, constituée par le liquide d'entrainement 16.
The invention relates to the process for manufacturing granules of a product, according to which:
this product is liquefied;
a laminar flow jet is formed from this liquefied product; this jet is split into a string of droplets by subjecting it to a periodic disturbance of determined frequency:
these droplets are solidified in the form of spherules;
and and collecting these spherules which constitute said granules.
This process is well known, but it comes up against a significant difficulty due to the fact that the smaller the spherules must be, the finer the liquid jet must be. This jet is obtained using a nozzle. it is the diameter of this nozzle which will define the dimension of the spherules. However, to obtain regular spherules, it is necessary to have a very stable jet in which the flow is laminar, at least at the origin of the jet. This condition therefore requires perfect regularity of the nozzle, which must be free from defects such as burrs. ovality, roughness, etc.
However, the smaller the diameter of the nozzle becomes, the more difficult it is to meet these conditions: indeed, a defect of a given dimension, for example 10 microns, leads to an irregularity of 2% for a 5 mm nozzle. diameter, but at an irregularity of 10% for a nozzle of 0.1 mm in diameter. The process in question therefore makes it very difficult to obtain a fine granulation which is regular. and this for lack of being able to produce a small-sized nozzle capable of giving rise to a liquid jet which is simultaneously very fine and animated by a laminar flow.
In addition, it may happen that the substance to be granulated has, in the liquid state, a viscosity such that the jet does not split into independent spherules. but in a string of weights attached to each other by a very thin net which refuses to break. This phenomenon is observed in particular when the viscosity forces outweigh the surface tension forces: the latter fail to thin the stream of liquid substance to the point of breaking it before it is solidified. It is obvious that, once the substance has solidified, this solid net ends up yielding to the stresses which the chain of weights subsequently undergoes, but the granules which are thus obtained are not strictly spherical and do not have exactly the same mass.
Jet granulation is therefore not satisfactory when the liquefied substance has an appreciable viscosity.
It is known, on the other hand, to resort to the technique of the fractionated jet to achieve the encapsulation of a first substance in a second substance, this second substance having to be solid under normal temperature conditions, so that the first substance, which can be liquid or solid under normal conditions. constitutes a core coated in a shell formed by the second substance. According to known techniques, recourse is had in this case to the fractionation of a composite jet comprising a core, which is constituted by the first substance. and a sheath, which imprisons this soul and which is constituted by the second substance. In other words, this encapsulation technique amounts to granulating all of the two substances put in the form of a composite jet.
As in pure granulation. from a single jet of a single substance, it is the forces of surface tension which are responsible for the formation of the droplets, which are themselves composite. the second substance constituting the shell in which is imprisoned the core formed by the first substance. It is easy to see that this technique of encapsulation by fractionation of a composite jet encounters the same difficulties as the technique of pure granulation by fractionation of a single jet.
The process which is the subject of the invention uses a known technique which consists in generating, in the case of granulation alone, two coaxial flows, the first consisting of the product to be granulated and the second by an immiscible liquid. in the first, and, in the case of encapsulation, three coaxial flows, the first consisting of the product to be encapsulated, the second by the liquefied product intended to form the capsule and the third by a product immiscible in the second .
This technique, which is described in particular in Swiss patent No. 478590, consists in creating these flows inside a duct which confines the flow of the external liquid, in giving this external flow a sufficiently high speed to bring the or the internal flows to split into weights and to give this external flow a temperature such that the weights solidify, either in their entirety if it is granulation, or in the outer coating layer formed by the second liquid , if it is encapsulation. In other words, this technique uses the natural fractionation of the vein, simple or composite, constituted by the internal flow (s) trapped in the external flow.
However, this natural fractionation is essentially random and it gives rise to a granulated or encapsulated product, the particle size of which has a very wide distribution. However, this wide distribution of particle size is incompatible with many subsequent uses of the product obtained, in particular those which require precise dosage (in the case of pesticides, for example) or uniform spreading (in the case of fertilizers), and, consequently, require a very strictly defined particle size (that is to say little dispersed and with a well-determined average).
A first object of the invention is a method which eliminates these difficulties. This process is characterized by the fact that around the jet is formed, in contact with it, an envelope made of another liquid immiscible with the liquefied product, which is imparted to this envelope a laminar flow at a speed at least equal to that of the jet and that said disturbance is applied to the jet dressed in this liquid envelope, all in such a way that this jet, before being subjected to this disturbance, undergoes at most, from this envelope , a hydrodynamic stretching resulting from the difference between its flow speed and that of this envelope.
A second object of the invention is a granulation device implementing the above process. This device is characterized by the fact that it comprises: a cylindrical nozzle arranged around the nozzle, coaxial
to the latter, and provided with a connector allowing
connect to a source of another liquid, immiscible with that
of the jet, this nozzle being arranged so as to create, around the
jet, a laminar flow envelope, made of this other
liquid:
: a means of adjustment allowing, by acting upstream of this
nozzle and this nozzle, to adjust the relative speed between the jet
and the envelope, so that the speed of the latter is
at least equal to that of the jet; - and by the fact that said disturbance means are arranged
so as to apply said periodic disturbance to the jet
dressed in this liquid envelope, all so that, before
to be subjected to this disturbance, the jet dressed in this enve
loppe undergoes at most, from the latter, one amin
slowing due to the acceleration caused by the difference between
its speed, its own flow velocity and that of this
envelope.
The following description relates to the method, to two embodiments of the device, given as examples, and to two application examples. It is illustrated by the accompanying drawing, in which:
Fig. I represents, in section, the first embodiment, used in the context of the first example of application.
Fig. 2 shows, in section, the second embodiment, used in the context of the second application example.
The method is based on the fact that the forces generated at the interface of two coaxial flows, the internal flow of which has a speed lower than that of the envelope constituted by the external flow, are such that the second tends to entrain the first and to increase its speed until it brings it to be, after a certain path along which this internal flow is accelerated, substantially equal to the speed of the external flow. As the flow rate of the internal flow must, in accordance with the law of continuity, keep the same value at all points, the diameter of this flow must decrease when its speed increases.
As a result, it is possible to transform a flow of relatively large section into a liquid stream whose diameter decreases as one moves away from the place where the injection of the first flow takes place ( internal) in the second (external). This phenomenon, which is observed for laminar flows made of liquids immiscible one in the other, is, of course, limited by the length that the vein can reach, which always ends, under the effect of inevitable disturbances, by splitting into droplets embedded in the external flow. But it has the advantage of letting the internal flow retain, over the entire length of the vein, the laminar character that it has at the site of the injection.
We therefore have the possibility of generating a finite flow which remains laminar despite its small diameter. This possibility overcomes the difficulty there is in producing a nozzle of very small diameter which has the required qualities (regularity of shape and surface polish, in particular) to give rise to a laminar flow vein.
Instead of injecting a simple internal flow into the envelope formed by the external flow, it is possible to inject a composite internal flow, that is to say constituted by a core, formed of a first liquid, surrounded by a sheath, formed of a second liquid. This first flow, composite, in which the two components have the same speed, is injected as before, in the axis of the second flow, which has a speed greater than that of the internal composite flow.
It is the latter which is stretched hydrodynamically, which produces a composite vein which is both very fine and perfectly laminar, a result which could hardly be obtained with nozzles having the required fineness. By way of example, it has thus been possible to produce simple (perfectly laminar) petroleum veins, these veins being stretched by an envelope formed by a flow of water; their diameter was of the order of a few microns. Veins have also been produced comprising a core of water surrounded by a sheath of molten paraffin, these composite veins, which are also perfectly laminar, being stretched by an envelope formed by a flow of water heated to the melting temperature of the paraffin. Here too, we have been able to achieve diameters of the order of a micron.
The method described therefore makes it possible to produce a very fine flow, at laminar regime, which is in the form of a stream, simple or composite, trapped in the center of an envelope made of an external flow of relatively large diameter.
The device which implements this method is very simple. A first embodiment is visible in FIG. 1. This device, which is intended to obtain a single stream, comprises an external cylindrical nozzle 1 and an internal nozzle 2. This internal nozzle is in fact only the end of a pipe 3 which passes through the tube. upper wall 4 of a stabilization chamber 5 located upstream of the outer nozzle 1. This nozzle and this nozzle have circular sections and they are kept coaxial with each other by a welded joint 6 formed at the location where the pipe 3 passes through the wall 4. This pipe 3 is connected by a valve 7 to a supply pipe 8 connected to a source (not shown) of a first liquid 9.
This valve 7 comprises a needle 10 which cooperates with a seat 11 and which is controlled by a threaded rod 12 operated by a chicken 13; it makes it possible to adjust the speed of the internal flow 14 generated by the nozzle 2; The chamber 5 is connected, by a pipe 15, to a source (not shown) of another liquid 16, immiscible in the first.
This other liquid constitutes an external flow 17, which encircles the internal flow 14 and which escapes from the nozzle 1 in the form of an envelope 18. The diameter of the nozzle 1 has a value which is a multiple of the value. the diameter of the nozzle 2, so that the external flow 17 is much greater than the internal flow 14. The pressure of the liquid 16 in the pipe 15 is chosen so that the external flow 17 is laminar, with a speed VO, and the speed of the internal flow 14 is adjusted with the aid of the control chicken 13 of the valve 7 to a value V1 <Vo, so that the liquid of this internal flow 14 is accelerated by the external flow 17, when the first is injected into the axis of the second.
As a result, the internal flow 14 is transformed little by little into a stretched vein 19, embedded in the axis of the casing 18. This vein, whose speed is equal to that which prevails in the axis of the envelope, has a greatly reduced diameter compared to the diameter of the internal flow 14, which is determined by the diameter of the nozzle 2; but it retains the laminar character that this internal flow had.
Fig. 2 shows a second embodiment of the device, intended to obtain a composite fine vein, with two components. We recognize the outer nozzle 1 giving rise to the second flow 17, the chamber 5 and the pipe 15 through which this nozzle is supplied with carrier liquid 16. Instead of a simple internal nozzle, there is here a composite nozzle comprising two nozzles. coaxial 30, 37 themselves fixed inside the outer nozzle 1 in a position coaxial with the latter.
The middle nozzle 30 is connected, by a valve 32 and a pipe 33, to a source (not shown) of a liquid 34 constituting the external component 43 of the composite flow 44. The central nozzle 37 is connected by a valve 38. and a pipe 39 to a source (not shown) of a liquid 40 constituting the internal component 42 of the composite flow 44. The valves 32 and 38 are adjusted so that the speeds V (] 1 and VQ1 of the components 42 and 43 of the flow 44, which is therefore composite, are equal to each other, and so that the common value V1 of these speeds is less than the speed V0 of the external flow 17.
The same phenomenon then occurs as in the previous case, namely the stretching of the composite flow 44, by the external flow 17, and this device generates a stretched vein 36, composite, the diameter of which is greatly reduced by relative to the diameter of the flow 44. The only conditions to be respected are that the speeds VX 1 and vf7 of the components of the flow 44 are the same, that this flow is laminar, and that the liquids which are in contact are not miscible with each other.
Thus, the liquid 40 constituting the internal component 42 must not be miscible in the liquid 34 constituting the component 43, and the latter must not be miscible in the liquid 16 of the external flow 17. But the liquids 16 and 40 could. very well be the same, since they are separated from each other by the liquid 34 of the external component 43 of the composite flow 44. In addition, the external flow 17 must be laminar and its speed V0 must be greater than the speed V1 common to the two components of the composite internal flow 44.
As for the application of the process to the granulation of a liquefied product, it consists in using this liquefied product as the liquid constituting the internal flow 14 (fig. 1), and in deliberately causing the fractionation into droplets of the tapering vein 19 into which, as we have seen, this internal flow is transformed. For this, the device, or better its internal nozzle 2, is connected to a source of vibrations capable of causing periodic disturbances in the flow of the tapered vein 19.
For this purpose, the nozzle 2 which generates the internal flow 14 is attached, by means of the valve 7, to the mobile element 50 of a vibrator 51 which imparts to this nozzle axial vibrations represented by the double arrow 52. We know, in fact, that a disturbance applied to a flow in the form of a jet (and the vein 19 constitutes, in fact, a jet in the middle of a mass 18) causes a deformation of the outer surface of the jet, deformation which amplifies exponentially, as one moves away from the point of application of the disturbances, until having an amplitude equal to the radius of the jet. moment at which the jet splits into sections which, under the influence of the interfa cicada tension, rapidly take the form of spherules.
The length of the sections being defined by the wavelength of the deformation along the jet. it follows that, at a given speed of the jet and at a given frequency of the disturbance, the length of the sections into which the jet splits is imposed. It turns out that the rate of growth of the amplitude of the deformation is maximum when its wavelength is equal to 4.5 times the diameter of the jet (Rayleigh's law), and that the disturbance is practically ineffective when the wavelength of the deformation is less than the diameter of the jet.
It can therefore be seen that if the free envelope 18 has a diameter greater than 4.5 times that of the vein 19, a periodic deformation having the wavelength which corresponds to the frequency of
Rayleigh relating to this vein, will have no effect on the envelope 18, and only the vein 19 will be split into a string of droplets 54. This is why a possible transmission to the nozzle 1 and, through it, to the external flow 17, all or part of the vibration imposed on the nozzle 2 by the vibrator 51 does not cause the casing 18 to split. We are therefore in the presence of a string 53 of droplets 54, embedded in this casing 18. .
In practice, in order to reduce the size of the droplets 54, the frequency of the vibrator 51 is chosen so that the wavelength of the deformation is equal to twice the diameter of the vein, which forces the vibrator to provide a little more energy to ensure fractionation. By choosing, in addition, as the liquid 16 constituting the external flow 17, and therefore the envelope 18, a liquid suitable for causing the solidification of the first liquid 9, the droplets 54 are rapidly transformed into solid spherules. This results in the granulation of the product which, after having been liquefied beforehand, constitutes the internal flow 14.
Due to the fact that the vein 19 in which this flow moves under the effect of the hydrodynamic stretching caused, the free envelope 18 has a very small diameter, due to the fact that this stretching preserves in this vein the laminar character which the flow 14 and because the fractionation of this laminar vein is controlled by the forced vibrations 52, very small spherules are obtained. whose dimension is very regular, determined as it is by the frequency of these forced vibrations.
In other words, a very fine granulation is produced, the granules of which have a very regular size, a perfectly spherical shape and have a very little dispersed particle size.
A similar application is possible with the device of fig. 2. In this case, it is, preferably. to the outer nozzle 30 of the composite nozzle that the disturbances are applied. For this purpose, it is the valve 32 controlling the flow rate of the external component 43 of the composite flow 44 which is attached to the movable element 50 of the vibrator 51. The fractionation of the composite stream 36 is thus obtained by a string 53 of composite droplets 54, each of which comprises a core 55, which is formed by the liquid 40 of which the internal component 42 of the composite flow 44 is constituted, and which is surrounded by an envelope 56 formed by this liquid 34.
If one takes for the liquid 34 constituting the external component 43 a solidifiable product within the liquid 16 constituting the envelope 18, these droplets turn into spherules comprising a solid shell which results from the solidification of the envelope 56. and a core, which can be liquid or solid depending on whether the internal component 42 of the composite flow 44 is solidifiable or not. The encapsulation of the liquefied product 40 is thus carried out and the spherical capsules which are obtained have the same qualities as the spherules obtained with a simple internal flow. namely fineness, regularity of shape and low dispersion of particle size.
The use of the device shown in FIG. It is particularly indicated when the product to be granulated is, once liquefied, in the form of a high viscosity liquid in which the effect of surface tension forces, responsible for the deformation which causes the liquid weights in which to pass. splits the jet from the ovoid shape they have at the time of fractionation to the spherical shape which is that of the final droplets, is masked by the effect of viscosity forces, which slow down this deformation.
In this case, it is less the hydrodynamic stretching of the stream 19 by the liquid envelope 18 driven by a speed V0> V1 which is sought after than the use of the surface tension of the liquid 16 of this envelope to achieve relatively massive droplets trapping a core consisting of the liquefied product 9. In this case, the frequency of the disturbance which causes the forced fractionation is adapted to the diameter and to the speed of the envelope 18. In practice, a frequency is chosen such that the ratio between the wavelength of the disturbance and the diameter of the envelope is between 2 and 4.5.
In the case where it is desired to proceed, by forced fractionation of a composite jet, to the encapsulation of a first product in a second and where this second product has, once liquefied. too high a viscosity for the formation of the composite droplets to be satisfactory. use will be made of the device shown in FIG. 2 and the frequency of the disturbance will be adapted, in a similar manner, to the speed and to the diameter of the liquid envelope, in order to form with the latter relatively massive spherical droplets imprisoning a composite spherical core formed by a sphere of the first product surrounded by a layer of the second product.
In both cases, we will choose for the temperature of the liquid 16 forming the external flow 17 a value such that the solidification of the product constituting the jet 19 (fig. 1), respectively the sheath 35 (fig, 2), cannot begin. before the envelope has been split into the required string of droplets.
This is the reason why it is planned to arrange around the chamber 5 a heating body, for example the tubular coil 60 (shown in broken lines, given its optional nature), in which a fluid (liquid or vapor) circulates. reheating.
In summary, the process which has just been described lends itself to three main applications, namely: the granulation into tiny spheres of a prior product
liquefied in the form of a fluid liquid, the diameter of the
spheres obtained being less than that allowed
to achieve the known methods and having a very
low around its mean value; - encapsulation. in spherical microcapsules. of a product.
naturally liquid or liquefied beforehand. in a product
previously liquefied coating; granulation into spheres, tiny or not, of a product
previously liquefied in the form of a liquid having a
viscosity too high to be granulated by the processes
known dice using the split of a single roll, or
encapsulation in spherical capsules of a product in a
too viscous liquefied coating product to be suitable for
usual encapsulation by fractionation of a composite jet.
In the first and second cases. the forced jet disturbance is given a frequency which is matched to the diameter of the vein 19 and 36, respectively. vein which is simple in the first case and composite in the second. In the third case, this forced disturbance is given a frequency adapted to the diameter of the outer casing 18, formed by the driving liquid 16.