Principe de Fonctionnement du Séparateur Cyclonique (Séparateur de Poussière)

Introduction

La séparation cyclonique est une méthode pour séparer différentes phases liquides (de densités variées) ou pour extraire des particules d'un flux gazeux. Les séparateurs cycloniques sont souvent utilisés comme étape de prétraitement avant l'évacuation d'un gaz ou d'un liquide. Cet article se concentre sur le séparateur cyclonique à gaz.

Séparateurs Cycloniques

Qu'y a-t-il dans un Nom?

Un séparateur cyclonique est connu sous plusieurs appellations. Ces noms incluent ‘séparateur de poussière’, ‘collecteur de poussière’, ‘extracteur de poussière’, ‘extracteur cyclonique’ et ‘séparateur cyclonique’. Généralement, les unités plus petites sont appelées ‘séparateurs’ ou extracteurs de poussière, tandis que les séparateurs industriels de grande taille sont appelés ‘séparateurs cycloniques’.

Cyclone à Gaz et Hydrocyclone

Il existe deux principaux types de séparateurs cycloniques : le cyclone à gaz et l'hydrocyclone.

Les cyclones à gaz sont utilisés pour éliminer les particules entraînées d'un flux de gaz.

Installation Typique de Cyclone à Gaz

Les hydrocyclones sont utilisés pour séparer des fluides de différentes densités.

Les séparateurs cycloniques peuvent être installés individuellement ou en groupes, appelés multi-cyclones. Ils peuvent également être configurés en série ou en parallèle.

Les séparateurs peuvent être installés horizontalement ou verticalement.

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Séparateurs Cycloniques à Gaz

Les séparateurs cycloniques à gaz se divisent en deux grandes catégories : à flux inversé et à flux axial.

Les séparateurs cycloniques à flux inversé ont une forme conique. Le gaz entre par le haut du corps du séparateur, descend, puis remonte pour être évacué.

Séparateur Cyclonique à Flux Inversé

Il existe plusieurs conceptions de séparateurs cycloniques à flux inversé. Ci-dessous se trouve une autre variation du cyclone à flux inversé.

Séparateur Cyclonique à Flux Inversé avec Générateur de Tourbillon

Pour les séparateurs cycloniques à flux axial (également appelés passage direct), le gaz entre par une extrémité et est évacué par l'extrémité opposée. Les séparateurs à flux axial sont moins courants que les séparateurs à flux inversé.

Cyclone à Flux Axial

Efficacité

Cet article se concentrera sur le séparateur cyclonique à gaz à flux inversé car ce type de séparateur est le plus couramment utilisé aujourd'hui. Nous nous référerons au terme efficacité de collecte, ou simplement ‘efficacité’ tout au long de l'article. L'efficacité de collecte, également connue sous le nom de taux de capture ou taux de récupération, est une mesure de la capacité d'un cyclone à séparer les particules du flux de gaz. Étant donné que les particules ont des tailles différentes, le taux d'efficacité est généralement donné pour différentes tailles de particules.

Point de Coupure

Le débit volumétrique et la géométrie du séparateur cyclonique définissent le point de coupure. Le point de coupure est le point auquel les particules sont retirées du flux de gaz avec une efficacité de 50%. Cette mesure est une norme industrielle et peut généralement être obtenue auprès du fabricant d'équipement d'origine (OEM).

Composants et Conception

Un séparateur cyclonique à flux inversé est un assemblage industriel sans pièces mobiles et une conception simple.

La partie cylindrique principale du séparateur cyclonique est connue sous le nom de corps ou fût. La section conique qui se rétrécit progressivement est connue sous le nom de cône.

Le gaz non traité entre tangentiellement par l'entrée sur le côté du séparateur. Les particules entraînées dans le flux de gaz sont séparées du flux de gaz et évacuées par le port de rejet à la base du séparateur. Le gaz nettoyé sort par le port d'acceptation en haut du séparateur.

Séparateur Cyclonique avec Étiquettes

Comment Fonctionnent les Séparateurs Cycloniques

La vidéo ci-dessous est un extrait de notre 

Le gaz contenant des particules entraînées entre à grande vitesse par l'entrée tangentielle en haut du cyclone. Le gaz pénètre dans le corps/fût du cyclone en tangente et commence à s'écouler en spirale descendante vers le port de rejet inférieur; cette spirale descendante est appelée vortex en spirale.

Ligne Tangente (montrée en rouge)

Le diamètre du cône diminue progressivement, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse du gaz. Le vortex externe crée un vortex interne supplémentaire plus proche du centre du corps du séparateur et ce vortex interne s'écoule en spirale vers le haut vers le port d'acceptation.

Vortex Interne (bleu) et Externe (noir)

Les particules avec plus d'inertie entreront en collision avec le côté du cyclone tandis que les particules avec moins d'inertie resteront dans le flux de gaz. L'inertie peut être considérée comme la capacité d'une particule à continuer à se déplacer en ligne droite même lorsque des forces externes sont appliquées. Lorsqu'une force externe est appliquée -comme par le vortex cyclonique- les particules avec une faible inertie ne continueront pas à se déplacer en ligne droite, elles se déplaceront plutôt en spirale car elles sont entraînées par le flux de gaz.

Particules de Gaz à Faible Inertie Entraînées

Les particules avec une plus grande inertie seront moins affectées par le vortex et continueront à se déplacer en ligne droite. Cette trajectoire en ligne droite amène les particules à haute inertie à sortir du flux de gaz et à entrer en collision avec le corps du séparateur cyclonique. Ces particules tombent ensuite à la base du séparateur cyclonique et sortent par le port de rejet. De cette manière, les particules entraînées d'une certaine taille peuvent être séparées du flux de gaz.

Particules de Gaz à Haute Inertie Entraînées

Une autre façon de penser à ce processus est de penser à des particules de densité plus élevée entrant en collision avec le corps du cyclone tandis que des particules moins denses sont retenues dans le flux de gaz. Ce n'est pas tout à fait vrai car à la fois la densité et la forme de la particule affecteront sa capacité à être séparée du flux de gaz.

Les particules évacuées par le port de rejet sont généralement soit recyclées (sur site ou hors site), soit éliminées.

Note de Physique

Il est courant de croire à tort que la force centrifuge est la force qui sépare les particules du flux de gaz, mais c'est la force centripète qui provoque la collision des particules avec le corps du séparateur.

L'équation ci-dessous est utilisée pour calculer la force centripète en fonction de la vitesse de l'air (v), de la taille des particules (m) et de la distance radiale (r) par rapport à la paroi du cyclone.

F =(mv²)/r

Où : v = vitesse de l'air

m = taille des particules

r = distance radiale

Les forces centripètes générées à l'intérieur du séparateur peuvent être n'importe où entre cinq fois la gravité pour les séparateurs de grand diamètre à faible chute de pression, à 2 500 fois la gravité pour les séparateurs de très petit diamètre à haute chute de pression.

Facteurs Affectant l'Efficacité

Il existe plusieurs facteurs qui peuvent affecter l'efficacité d'un séparateur cyclonique. Ceux-ci incluent la densité des particules, la taille des particules, le débit volumétrique, la chute de pression, la longueur du cône, la longueur du corps, le rapport du diamètre du port d'acceptation au diamètre du corps, et même la douceur des surfaces internes du cyclone. Nous allons maintenant discuter des aspects de conception les plus importants en détail.

La densité des particules est l'un des facteurs les plus déterminants affectant la capacité d'un cyclone à éliminer les particules entraînées. Les particules denses telles que les oxydes ferreux peuvent être séparées avec une efficacité de 99% ou plus, quelle que soit la taille des particules. Lorsque la densité des particules diminue, l'efficacité diminue (en supposant qu'aucun autre changement du système ne se produise).

La taille des particules est une considération de conception importante affectant l'efficacité d'un séparateur. Les particules plus grosses peuvent être plus facilement séparées que les particules plus petites. Les particules de moins de cinq microns sont difficiles à séparer sans utiliser de très petits séparateurs. Les particules dépassant 200 microns peuvent souvent être séparées par d'autres moyens tels que les chambres de décantation par gravité. Une réduction de la taille des particules entraînera une réduction correspondante de l'efficacité.

La géométrie d'un séparateur a un impact considérable sur l'efficacité de l'unité. Un séparateur cyclonique de grand diamètre ne pourra pas séparer les particules aussi efficacement qu'un séparateur de petit diamètre. L'efficacité du séparateur augmente à mesure que le diamètre du cône diminue. Ainsi, réduire le diamètre du cône permet d'éliminer des particules de plus en plus fines. Un cône de petit diamètre extraira des particules beaucoup plus fines d'un flux de gaz qu'un cône de grand diamètre.

Tous les séparateurs cycloniques ont une chute de pression associée. La chute de pression peut être considérée comme la quantité d'énergie nécessaire pour déplacer le gaz à travers le séparateur, alternativement, elle peut être considérée comme la quantité de résistance que le séparateur cyclonique ajoute au flux du système. La chute de pression est un produit du débit de gaz, de la densité du gaz et de la géométrie du cyclone. La chute de pression peut être exprimée comme suit:

DR = Ra Entrée - Ra Sortie

Où :

DR = Chute de Pression du Cyclone

Ra = Pression Absolue

Une autre façon d'augmenter l'efficacité d'un séparateur est de réduire le diamètre du port d'acceptation. Cela modifie le rapport du diamètre du corps au port d'acceptation et a pour effet de ne permettre qu'aux particules plus fines de quitter le séparateur par le port d'acceptation.

Grand ou Petit Séparateur?

Les petits séparateurs cycloniques ont un taux d'efficacité plus élevé, mais la chute de pression associée est élevée et le débit volumétrique est faible. La vitesse du gaz à travers les petits séparateurs est également très élevée et cela entraînera un niveau élevé d'érosion si le flux de gaz contient des particules abrasives.

Les grands séparateurs cycloniques ont un taux d'efficacité plus faible, mais la chute de pression associée est faible et le débit volumétrique élevé. Un séparateur de grand diamètre n'est pas adapté pour éliminer les particules fines d'un flux de gaz.

Avantages et Inconvénients

Il existe de nombreux avantages associés aux séparateurs cycloniques, certains d'entre eux incluent:

• Peu coûteux à l'achat.
• Faible maintenance.
• Adapté aux hautes températures.
• Adapté aux brouillards liquides.
• Ne nécessitent pas beaucoup d'espace.

Certains inconvénients sont associés aux séparateurs cycloniques, mais ces inconvénients peuvent être réduits en gravité si le séparateur correct est sélectionné pour l'application correcte. Les inconvénients peuvent inclure:

• Coûts d'exploitation accrus associés à la chute de pression (en supposant une grande chute de pression).
• Inefficace lors de la manipulation de petites/fines particules.
• Non adapté aux substances ‘collantes’.

Sélection des Matériaux

La sélection des matériaux est une considération très importante lors du choix d'un séparateur pour une application spécifique. Certains systèmes de processus peuvent contenir des milieux d'écoulement érosifs ou corrosifs, il est donc nécessaire d'ajouter une couche de protection aux surfaces internes du cyclone.

Les matériaux adaptés pour protéger le séparateur dans les systèmes érosifs peuvent inclure des matériaux tels que la céramique ou une forme d'émail. Les séparateurs fonctionnant dans des systèmes corrosifs peuvent avoir une forme d'émail ou un revêtement en matériau à base de poly pour protéger le corps métallique du cyclone en dessous.

Applications

Les séparateurs cycloniques sont utilisés dans de nombreuses applications en raison de leur faible coût, de leur conception simple et de leur haute efficacité. Les séparateurs cycloniques ne nécessitent ni sacs ni filtres et nécessitent peu de maintenance.

Filtres Sales

Une application typique inclurait une scierie. Les scieries génèrent beaucoup de poussière qui doit être extraite de l'usine. La poussière est aspirée dans le système d'extraction principal par une pression négative créée par un ventilateur -généralement un ventilateur centrifuge-. L'air chargé de poussière passe ensuite par un séparateur cyclonique où la plupart de la poussière de bois est séparée du flux d'air; l'air propre est ensuite évacué directement dans l'air ambiant tandis que la poussière de bois est recyclée ou éliminée.

Configuration de Séparateur Cyclonique pour Scierie

Une autre application courante est l'aspirateur domestique. Un moteur électrique entraîne un ventilateur qui aspire l'air et les particules dans le corps de l'aspirateur. Il y a peu de pièces à entretenir et l'aspirateur a l'avantage supplémentaire de ne pas avoir de sacs à remplacer. James Dyson s'est fait milliardaire lorsqu'il a inventé le premier aspirateur à séparateur cyclonique après avoir vu un cyclone fonctionnant dans une scierie.

Aspirateur à Séparateur Cyclonique

Ressources Supplémentaires

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Cyclone_separator

https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclonic_separation

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/cyclone-separator