Utilisateur:Nicolas Bruffaerts/Laboratoire
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Un cyclone est une unité technologique utilisée lors de procédés de séparation gaz-solide, afin de récupérer de fines particules solides (poussières d'un diamètre de l'ordre d'un centième de millimètre). Ces fines particules ont tendance à suivre la même trajectoire que le flux gazeux, leur vitesse de chute étant inférieure à 0,3 m/s. Cela rend donc difficile la séparation et limite l'utilisation de simples décanteurs.
Le faible coût de capitalisation et d'entretien d'un cyclone en fait un équipement de prédilection pour la collecte de particules. Son usage est même fréquent dans l'industrie, par exemple pour la décontamination de rejets gazeux à la sortie d'un réacteur, ou encore pour minimiser les pertes d'un produit. Cependant, ils sont inefficaces face aux règlements environnementaux toujours plus strictes. Son efficacité de séparation décroit rapidement avec la réduction du diamètre de particules. Les cyclones sont donc utilisés de plus en plus comme pré-dépoussiéreurs.Ils conviennent rarement seuls pour résoudre les problèmes actuels de dépoussiérage car ils sont inopérants sur la tranche la plus fine des poussières, et même peu efficaces pour des particules en-dessous de 10 microns.
Il existe également des variantes de cyclones, conçues pour la séparation d'un mélange de particules solides dans un flux liquide, appelés hydrocyclones ou hydroclones. Une application directe serait le traitement des eaux usées.
Principe modifier
Cet appareil utilise la force centrifuge pour une séparation mécanique des particules en suspension dans un fluide. D'autres appareils comme la centrifugeuse utilise le même principe pour la séparation d'un mélange de plusieurs fluides.
Les cyclones sont des appareils de corps essentiellement cylindro-coniques dans lesquels le mouvement giratoire est obtenu en faisant entrer le fluide tangentiellement à la circonférence, au voisinage de la paroi. Sous l'effet de la force centrifuge, les particules solides prises dans le vortex se déplacent vers la paroi, y perdent leur vitesse par frottement et tombent dans la partie inférieure de l'appareil, avant de sortir par l'apex du cône. Le fluide suit la paroi jusqu'au voisinage de l'apex, et une fois débarrassé des particules, remonte à la partie supérieure pour sortir par l'ouverture axiale.
Pour que la séparation soit effective, il faut donc que le temps mis par une particule pour atteindre la paroi soit inférieur au temps de séjour moyen d'un élément de fluide dans le cyclone. La cinétique de migration d'une particule quelconque peut alors être étudiée à partir de l'équation exprimant son mouvement dans la direction radiale :
La vitesse de Stokes est la vitesse de sédimentation dans le champ de pesanteur (pour un nombre de Reynolds faibles), et est l'accélération centrifuge.
A partir de cette équation, le temps mis par une particule pour atteindre la paroi peut être calculé et comparé au temps de séjour moyen du fluide gazeux. De plus, elle permet de mettre en relation le débit entrant avec la viscosité du fluide ainsi que la taille des particules, ce qui permet de prédire les dimensions de l'appareil en fonction des exigences d'utilisation.
Dimensionnement modifier
Les dimensions des cyclones sont assez standardisées. Pour obtenir une séparation efficace de particules très fines, un cyclone de petites dimensions, à grand débit et longue trajectoire du fluide, est donc préférable (en faisant attention toutefois aux pertes de charge). A l'échelle industrielle, ce sont plusieurs cyclones qui sont utilisés en parallèle, appelés aussi multiclones.
Mouvement du fluide et phénomènes de by-pass modifier
Le fluide gazeux effectue idéalement un grand nombre de tours dans l'espace intérieur du cyclone. Cependant, une partie de l'écoulement peut en réalité éviter la descente dans le cylindre. Cette veine de fluide peut remonter directement et longer le toit sans que la séparation n'ait lieu, avant de sortir par l'ouverture axiale, ce qui forme un court-circuit parfois appelé phénomène de by-pass.
Plusieurs solutions ont été mises au point dans les détails de construction du cyclone, comme par exemple l'ajout d'un tuyau de sortie percé occupant une grande partie de la hauteur du cylindre, et forçant ainsi le fluide à descendre.