Cyclone (séparation)

Cet appareil utilise la force centrifuge pour une séparation mécanique des particules en suspension dans un fluide. D'autres appareils comme la centrifugeuse utilisent 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 tourbillon se déplacent vers la paroi, y perdent leur vitesse par frottement et tombent dans la partie inférieure de l'appareil, avant de sortir par le sommet du cône. Le fluide suit la paroi jusqu'au voisinage du sommet, 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 :

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} r}{\mathrm {d} t}}=v\cdot {\frac {\omega ^{2}\cdot r}{g}}\qquad {\begin{cases}r,&{\text{position radiale (en m)}}\\v,&{\text{vitesse de chute ou vitesse de Stokes (en m/s)}}\\\omega ,&{\text{vitesse de rotation du gaz (en radian/s)}}\\g,&{\text{champ de pesanteur (en m/s²)}}\end{cases}}}$

La loi de Stokes donne la vitesse de sédimentation dans le champ de pesanteur (pour un nombre de Reynolds faible), et ${\displaystyle \omega ^{2}.r}$ est l'accélération centrifuge.

À 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 récoltées, ce qui permet de prédire les dimensions de l'appareil en fonction des exigences d'utilisation.

Son usage est très fréquent dans l'industrie. Les exemples les plus courants sont :

• le (pré-)dépoussiérage ou la décontamination de rejets gazeux dans l'atmosphère, à la sortie de chaudières en lit fluidisé ou circulant, dans les cimenteries, scieries, etc. ;
• le recyclage et minimisation de pertes de produits de réaction, dans l'industrie chimique ;
• dans le procédé de craquage catalytique (FCC ou Fluid Catalytic Cracking), dans l'industrie du raffinage et de la pétrochimie ;
• la séparation de la poudre et du fluide chaud lors du procédé d'atomisation (agroalimentaire).

Utilisation au haut fourneau

Vestiges du haut fourneau 3 de la Henrichshütte (de) à Hattingen, avec, de gauche à droite : tour carrée, pot à poussière et cyclone tangentiel.

Les cyclones sont fréquemment utilisés dans la première étape d'épuration du gaz de haut fourneau. Le gaz capté au gueulard est épuré en deux étapes, l'épuration sèche et l'épuration humide ou secondaire. Les cyclones sont utilisés en complément ou en substitution des pots à poussière pour la première étape[1].

Pour cette application, le cyclone présente l'avantage de pouvoir capter jusqu'à 85 % des poussières transportées dans le gaz brut avant traitement. La granulométrie de coupure, de l’ordre de 150 μm, est meilleure que celle du pot à poussière (coupure à 250 μm), la force centrifuge étant plus efficace que la gravité. En outre le cyclone est plus compact que le pot à poussière, ce qui simplifie son intégration dans l'usine, réduit son coût et limite les risques liés à la présence de grands volumes de gaz toxiques[1].

Par contre, le cyclone présente l'inconvénient d'être plus sensible à l'abrasion due aux poussières. Sa surface interne doit donc être revêtue d'une couche protectrice de béton ou de céramique[1]. La mise en rotation du gaz dépendant de sa vitesse, les cyclones ont donc, comparativement au pot à poussière, une plage de fonctionnement un peu plus étroite. On peut cependant légèrement améliorer la mise en rotation du gaz avec une hélice fixe et une arrivée verticale, au lieu d'une arrivée tangentielle. Toutes ces améliorations complexifient cependant l'installation.