Dans un séparateur à effet centrifuge appelé cyclone, on va imposer gaz chargé en poussières à éliminer, un mouvement de rotation. L'effet de la force centrifuge va alors faire déplacer les particules vers la paroi où elles seront collectées. Un cyclone est donc une chambre de sédimentation dans laquelle l'effet de la gravité serait augmenté par la force centrifuge. Cet accroissement de la gravité va de 5 à 2 500 fois pour les petits séparateurs centrifuges. Les cyclones comptent parmi les équipements les moins onéreux et les plus robustes et peuvent opérer dans une gamme d'applications et de conditions de température et de pression extrêmement variée. Toutefois, il ne faut pas attendre d'un cyclone des performances extraordinaires. Si des particules de plus 10 µm sont usuellement captées avec des rendements de 99 %, ces appareils n'en sont pas moins à considérer comme opérant dans la classe « performances moyennes ».

Une autre limitation sérieuse est la non-capacité de ces appareils à opérer sur une large plage de débit, au-delà du simple au double par exemple.

Quelques principes de base permettent de dimensionner les cyclones, et l'approche la plus sûre consiste à partir d'un cas de référence aux performances connues. Selon Stairmand (1951), une diminution de la taille du cylindre se traduit par une diminution du seuil de coupure (donc une augmentation d'efficacité) selon la formule:

(4. 13)

avec

• D : diamètre du cylindre,
• d_c  : diamètre de coupure (une particule ayant un diamètre égal au diamètre de coupure a 50 % de chance d'être interceptée).

De même, le pouvoir de coupure est lié à la vitesse et donc à la perte de charge selon la relation :

(4. 14)

avec

• v : vitesse d'entrée,
• Δp : perte de charge.

Dans le cas du cyclone standard de Lapple (voir figure 4. 6), l’efficacité de la séparation peut être estimée en fonction du rapport diamètre de particules sur diamètre de coupure :

(4. 15)

avec :

(4. 16)

où

• d_pc : diamètre de coupure (m)
• µ : viscosité du gaz (kg/m.s)
• B_c : largeur du cyclone à l'entrée (m)
• N_T : nombre de tours effectif du gaz dans le cyclone
• v_e : vitesse du gaz à l'entrée du cyclone
• ρ_p : masse volumique des particules (kg/m 3 )
• ρ : masse volumique du gaz (kg/m 3 )

Rappelons que l'efficacité peut aussi être estimée à partir de la relation suivante :

(4. 17)

 

Cette efficacité peut être globale ou par classe de taille.

Le cyclone standard de Lapple est donné sur la Figure 4. 6 . Les formules suivantes donnent les relations dimensionnelles de ce cyclone. L1 = L2= 2D2 W = L3 = Dd = D2 /4 H = De= D2 /2 L'efficacité de ce type de cyclone est représentée sur la Figure 4. 7.

Figure 4. 6  : cyclone standard de Lapple

 

Figure 4. 7  : courbe d'efficacité type (selon Lapple, 1951)