Cette page donne un aperçu des technologies de traitement disponibles pour séparer la poussière et les poudres d'un flux gazeux, en particulier les filtres, les cyclones ou les laveurs.

1. Introduction - Importance des séparateurs solide-gaz dans l'industrie

La séparation du gaz et des solides qu'il transporte est d'une importance primordiale dans les industries de process et est réalisée par différentes méthodes. Les solides peuvent se trouver dans le flux gazeux intentionnellement, par exemple dans une ligne de transport pneumatique, si la récupération de 100% du solide à la fin de la phase de transport est nécessaire pour avoir un processus économique. Mais les solides peuvent également être présents en tant que pollution, sous forme de poussière, et les préoccupations environnementales croissantes exigeront un système de collecte de poussière pour nettoyer le gaz avant son émission dans l'atmosphère.

Différentes technologies de séparation existent et conviennent à différents usages. Cyclones, Laveurs et Filtres sont présentés sur cette page web.

2. Les différents types de phénomènes physiques impliqués dans la séparation solide-gaz

Quelles sont les façons de séparer un solide d'un gaz ?

Collection inertielle

Ce phénomène de collection est bien représenté par le nombre de Stokes qui peut être calculé pour une particule dans un flux de fluide

Équation 1 : Nombre de Stokes

Sk = Force inertielle / force de viscosité
ρ_D=densité spécifique de la phase dispersée (solides) (kg/m3)
u_CD=u_C-u_D=Différence de vitesse entre la phase dispersée et la phase continue (m/s)
d=diamètre des particules (m) - si ce n'est pas la même dimension, prendre d50
C_m=correction de Cunningham - Millikan du coefficient de traînée
μ_c=viscosité de la phase continue (Pa.s)
D_c=dimension caractéristique de l'équipement de séparation

Si le nombre de Stokes est faible, cela signifie que la particule a tendance à suivre le fluide lorsqu'il change de direction : il sera difficile de les séparer dans un séparateur construit selon un principe d'inertie.

Ce qui se passe est le suivant : lorsque le flux de particules + fluide est exposé à une certaine cible (par exemple, une plaque), les particules ayant un diamètre trop grand (= ayant un nombre de Stokes élevé) ne seront pas en mesure de suivre les lignes de fluide autour de l'obstacle et seront collectées par l'obstacle par impact inertiel. Le premier diamètre auquel les particules ne seront pas collectées est le "diamètre de coupe" du séparateur.

Collection diffusive - Mouvement brownien

Pour des particules très petites (diamètre < 1 micron), le phénomène physique dominant est le mouvement brownien. Le transfert diffusif, qui peut conduire à une interception des petites particules, sera en concurrence avec le transfert convectif.

Si le transport convectif est élevé (vitesse de fluide élevée), l'interception ne sera pas possible. Par conséquent, la capture de particules très petites nécessitera d'opérer à faible vitesse de fluide afin de laisser aux particules la possibilité de se déplacer par mouvement brownien vers une cible qui les collectera.

Collection par gravité

Il s'agit d'un mode de collection spécial utilisé typiquement dans les séparateurs ayant un volume de désengagement, en particulier pour les grandes particules. Les particules sédimenteront en raison d'une vitesse de sédimentation terminale plus élevée par rapport à la vitesse du gaz.

3. Les différents types d'équipements disponibles pour séparer le solide du gaz

Quelles sont les techniques courantes de séparation gaz-solide ?

Le tableau ci-dessous répertorie les principaux équipements de séparation solide-gaz que l'on peut trouver dans les industries de process

Tableau 1 : Séparateurs industriel solide-gaz

Équipement	Détails dans cette page
Séparateurs gravitaires	non
Cyclones	Oui
Laveurs	Oui
Séparateurs électrostatiques	Non
Filtres	Oui

Tous ces équipements peuvent être utilisés comme collecteurs de poussières industriels. Certains d'entre eux, en particulier les cyclones couplés à Filtres peuvent être positionnés à la fin des lignes de transport pneumatique pour récupérer le produit transféré. Les laveurs ou les précipitateurs électrostatiques sont plus utilisés sur des flux très dilués, en tant que systèmes de contrôle de la poussière pour l'air quittant le process en séparant les particules solides des gaz résiduaires.

4. Cyclones

Les cyclones sont des équipements très simples basés sur un principe de séparation inertielle. Le gaz et les particules entrent dans le cyclone (généralement constitué d'un corps cylindrique, d'une sortie conique pour les solides et d'une sortie axiale supérieure pour le gaz) tangentiellement.

Un vortex est créé par la force centrifuge qui s'applique et le gaz circule vers le bas jusqu'au fond conique. Les particules ayant un diamètre trop grand sont alors poussées contre la paroi et séparées du gaz. Dans la partie conique, le flux de gaz inverse sa direction pour remonter via la partie centrale du cyclone et sortir par le tuyau de sortie de gaz en haut. Les solides descendent le long de la paroi et sont collectés au fond de la partie conique.

Il convient de noter que le gaz, lorsqu'il inverse sa direction, peut à nouveau entraîner des solides (ré-entraînement), ce qui réduirait l'efficacité de la séparation. Pour éviter de tels phénomènes, la conception du cyclone et son fonctionnement (en veillant à ce qu'il n'y ait jamais d'accumulation de solides dans le cône) sont d'une importance primordiale.

Figure 1 : Conception du cyclone et principe de séparation

5. Déflecteurs (séparateurs humides)

Les déflecteurs sont des séparateurs solides-gaz très efficaces qui fonctionnent sur le principe de mise en contact des particules avec un liquide (généralement de l'eau). Alors que les cyclones sont souvent limités aux particules de taille > 1 micron, les déflecteurs peuvent séparer des particules bien inférieures à 1 micron. Leur efficacité est principalement due au fait qu'ils combinent différents mécanismes d'interception.

• Inertiel (les particules heurtent les surfaces internes mouillées - parfois un remplissage - du déflecteur)
• Interception (les particules sont collectées par les gouttelettes d'eau ou les surfaces mouillées si elles passent suffisamment près)
• Diffusion (pour les très petites particules < 0,3 micron)

Dans certains cas, ces mécanismes sont renforcés par d'autres en raison de la présence d'humidité (avec condensation sur une particule par exemple, ou agglomérat ion de particules).

Figure 1 : Conception du déflecteur et principe de séparation

Les déflecteurs présentent toutefois un inconvénient majeur : ils génèrent de grandes quantités de boues qui doivent ensuite être traitées. De nos jours, compte tenu des exigences environnementales, l'utilisation de déflecteurs doit être réservée aux applications où une utilisation facile des effluents est possible ou lorsque d'autres techniques de séparation ne peuvent définitivement pas être utilisées.

6. Filtres

Le gaz et les solides peuvent également être séparés sur un support solide appelé filtre. Il existe différents mécanismes intervenant dans la séparation du gaz et des solides, et la physique change effectivement lorsque le filtre est neuf ou a été utilisé pendant un certain temps.

Pour un filtre neuf, les particules seront en mesure de pénétrer profondément dans la structure du filtre et d'être collectées (ou non, les filtres, comme d'autres techniques de séparation, ont une certaine efficacité) par inertie et diffusion.

Pendant l'utilisation, les particules s'accumuleront dans et sur la surface du filtre, et formeront finalement un gâteau. La filtration ultérieure est donc l'effet de la filtration à l'intérieur du filtre mais aussi à travers le gâteau qui s'est formé. Plus la quantité de particules est importante, plus la chute de pression sera élevée. Il sera alors nécessaire de remplacer ou de nettoyer le filtre.

Le nettoyage est parfois effectué automatiquement en appliquant un flux de gaz inversé. Il est particulièrement utile dans les filtres à manches situés à la réception des lignes de transport pneumatique. Pour les lignes de transport pneumatique, les charges élevées de solides et le but du processus font de la filtration le seul choix pour collecter le produit ; elle est parfois combinée à un cyclone afin d'éviter de saturer le filtre trop rapidement.

Un paramètre clé de dimensionnement pour les filtres est la vitesse de filtration (également appelée rapport gaz/tissu). Elle est généralement assez faible, autour de 1 à 5 cm/s selon la technologie ; avec quelques exceptions comme les pré-filtres des systèmes de CVC qui peuvent atteindre 1,5 m/s.

Sources

Principes de la technologie des poudres
Unités opérationnelles mécaniques Dépoussiérage Désaération, N. Midoux, Cours ENSIC