Séparateurs cycloniques: efficacité, perte de charge et usure est une référence technique sur le cyclone à flux inverse, un dispositif qui élimine les particules d'un flux gazeux ou liquide en utilisant la force centrifuge plutôt qu'un milieu filtrant.
Une entrée tangente met le flux en rotation dans un vortex extérieur descendant; les particules migrent vers la paroi, perdent de l'élan et tombent dans une trémie, tandis que le gaz épuré inverse sa direction dans un vortex intérieur et sort par l'extracteur de vortex en haut.
Le gaz chargé entre tangentiellement près du sommet du corps cylindrique et est contraint de décrire une spirale. Parce que le gaz doit tourner sur un rayon serré, chaque particule en suspension subit une accélération centrifuge plusieurs fois supérieure à la gravité, de l'ordre de centaines à milliers de g dans les petites unités.
Les particules plus lourdes et plus grosses ne peuvent pas suivre les lignes d'écoulement, dérivent vers l'extérieur, heurtent la paroi et décrivent une spirale vers le bas dans la section conique jusqu'à la trémie à poussière.
Le noyau gazeux inverse sa direction près de la pointe du cône et s'échappe vers le haut par l'extracteur de vortex central.
Il n'y a pas de pièces en mouvement, ce qui explique pourquoi les cyclones sont utilisés comme pré-nettoyeurs en amont des filtres à manches et comme récupérateurs de produit sur des procédés tels qu'un séchoir rotatif .
La performance d'un cyclone se décrit par la taille de coupure, d50, le diamètre de particule collecté à 50 % d'efficacité. Le modèle de Lapple l'estime comme :
d50 = sqrt( 9 · μ · W / ( 2π · Ne · Vi · (ρp - ρg) ) )
où μ est la viscosité du gaz, W est la largeur d'entrée, Ne est le nombre de tours effectifs effectués par le gaz (généralement 5 à 10), Vi est la vitesse d'entrée, et ρp et ρg sont les densités des particules et du gaz.
L'équation montre directement les leviers: une taille de coupure plus fine résulte d'une vitesse d'entrée plus élevée, d'une entrée plus étroite, de tours plus efficaces et de particules plus denses.
L'augmentation de la température du gaz augmente la viscosité et réduit la différence de densité, si bien que les cyclones pour gaz chaud donnent une taille de coupure plus grossière que la même unité fonctionnant à froid.
Le coût énergétique est la perte de charge, conventionnellement exprimée en hauteurs de vitesse à l'entrée :
ΔP = NH · ( ρg · Vi² ) / 2
NH, le nombre de hauteurs de vitesse, est typiquement de 6 à 8 pour une géométrie standard à haute efficacité. Le point critique est que ΔP varie comme le carré de la vitesse d'entrée. Doubler la vitesse quadruple approximativement la perte de charge tout en n'améliorant la taille de coupure que modérément.
La plupart des cyclones industriels fonctionnent entre environ 0,5 et 2,5 kPa. Cette perte est payée en continu par le ventilateur, généralement un ventilateur centrifuge , si bien que le dimensionnement du cyclone est en réalité une décision liée à la puissance du ventilateur.
Tout changement de conception qui affine la coupure tend à augmenter la perte de charge ou l'usure. Le tableau ci-dessous résume les effets dominants, les autres facteurs étant maintenus constants.
| Modification de conception | Effet sur l'efficacité (coupure plus fine) | Effet sur la perte de charge | Effet sur l'usure |
|---|---|---|---|
| Augmenter la vitesse d'entrée | Améliore (jusqu'au ré-entrainement) | Augmente comme le carré de la vitesse | Augmente fortement |
| Réduire le diamètre du corps | Améliore | Augmente | Augmente |
| Allonger le corps et le cône | Améliore modérément | Légère augmentation | Peu de changement |
| Augmenter le diamètre de l'extracteur de vortex | Aggrave | Diminue | Diminue |
| Augmenter la température du gaz | Aggrave (viscosité plus élevée) | Diminue (densité plus faible) | Peu de changement |
| Augmenter la charge en poussière | Améliore (agglomération) | Diminue légèrement | Augmente |
Notez que l'augmentation de la vitesse d'entrée n'aide que jusqu'à un certain point. Au-delà d'environ 20 à 30 m/s, la turbulence érode la poussière déjà collectée sur la paroi et la ré-entraîne dans le noyau de sortie, si bien que l'efficacité peut décroître alors que la perte de charge continue d'augmenter.
Parce que la séparation dépend des particules qui frappent la paroi, les poussières abrasives érodent le cyclone de l'intérieur.
L'usure se concentre dans deux zones: la région d'entrée et la paroi extérieure où le jet entrant frappe pour la première fois, et le bas du cône près de la pointe où le vortex est le plus serré et où les vitesses particulaires sont les plus élevées.
L'amincissement à ces endroits finit par perforer la coque, provoquer des prises d'air et entraîner l'effondrement du vortex. L'érosion augmente fortement avec la vitesse, souvent proche du cube de la vitesse pour de nombreux abrasifs, ce qui est une autre raison de résister aux conceptions à vitesse excessive.
Lorsqu'un gaz corrosif accompagne la poussière, l'attaque mécanique et chimique combinée est mieux décrite comme de l'érosion-corrosion , et les mesures d'atténuation incluent des revêtements en carreaux céramiques, des plaques d'usure trempées à l'entrée, des sections de cône remplaçables et des matériaux réfractaires pour les services en gaz chaud.
La trémie et l'évacuation des poussières sont les autres points de défaillance. Les poussières collantes, hygroscopiques ou condensantes peuvent s'accumuler et former un pont à travers le cône ou la gorge de la trémie, si bien que les solides collectés refoulent dans l'espace de séparation et détruisent l'efficacité.
Une vanne rotative défectueuse ou bloquée ou un dipleg (tuyau d'évacuation) laisse entrer de l'air par la décharge, ce qui ré-entraîne la poussière et peut annuler la collecte.
Les contre-mesures pratiques incluent l'isolation ou un chauffage de traçage pour rester au-dessus du point de rosée, un clapet pondéré correctement ou un airlock rotatif étanche contre les prises d'air, une détection de niveau dans la trémie, et des vibrations périodiques ou des coups mécaniques sur les matériaux sujets au pontage.
Un cyclone n'a pas de pièces tournantes, ainsi sa maintenance est axée sur l'inspection plutôt que sur la lubrification. Un programme solide suit ces éléments selon une cadence fixe :
Enregistrer les mesures d'épaisseur et les tendances de ΔP dans une GMAO permet de prévoir le remplacement du revêtement et du cône avant la perforation. Les équipes qui gèrent cela dans Réservez une démo Fabrico lient automatiquement ces itinéraires d'inspection aux ordres de travail. Une mesure cohérente transforme un cône en acier opaque en un actif prévisible, basé sur l'état.
Les cyclones standard à haute efficacité collectent efficacement la plupart des particules supérieures à environ 5 à 10 microns, des tailles de coupure de l'ordre de quelques microns étant atteignables dans des unités de petit diamètre. Les poussières submicroniques ne relèvent pas du cyclone ; elles doivent passer vers un filtre à manches ou un précipitateur en aval.
Les deux causes les plus courantes sont une prise d'air à la décharge des poussières, souvent due à un joint d'airlock défaillant, et une trémie bouchée ou pontée qui refoule des solides dans le vortex. Les deux se manifestent généralement par une lecture anormale de la pression différentielle avant que l'efficacité ne soit visiblement perdue.
Non. Efficacité et perte de charge augmentent ensemble seulement jusqu'à un certain point. Au-delà d'environ 20 à 30 m/s en vitesse d'entrée, le ré-entrainement réduit l'efficacité tandis que la perte de charge et l'érosion continuent d'augmenter, de sorte qu'une puissance de ventilateur supplémentaire est simplement gaspillée.
Un multicyclone répartit le flux entre de nombreux tubes de petit diamètre en parallèle. Le petit diamètre confère à chaque tube une coupure plus fine, et les faire fonctionner en parallèle maintient la perte de charge totale et la vitesse par tube à des niveaux raisonnables, au prix d'un plus grand nombre de surfaces à inspecter pour l'usure et l'obstruction.
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