ما هي عملية حركة المواد في جهاز الطرد المركزي ذي القارورة؟

المرحلة الأولى: التغذية: المدخل المحوري والتسارع المحيطي

مسار إدخال المواد

تدخل المواد المراد فصلها (مثل المعلقات) إلى داخل الأسطوانة على طول الاتجاه المحوري (محور الأسطوانة) من خلال أنبوب التغذية المركزي، بسرعة ابتدائية منخفضة (قريبة من التدفق الصفائحي).

تدور الأسطوانة بسرعة عالية (1500-4500 دورة في الدقيقة)، مما يدفع المواد الداخلية لاكتساب سرعة محيطية بسرعة والدوران بشكل متزامن مع الأسطوانة (على غرار حالة "الدوران الصلب").

تهيئة المجال الطارد المركزي

عند دخول المواد إلى الأسطوانة، تتعرض فوراً لقوة الطرد المركزي (الموجهة شعاعياً نحو الجدار الخارجي للأسطوانة). تبدأ الجسيمات الأكثر كثافة (الطور الصلب أو الطور السائل الثقيل) بالهجرة شعاعياً نحو الجدار الداخلي للأسطوانة، بينما تتجمع الأطوار السائلة الأقل كثافة (الطور السائل الخفيف) نحو مركز الأسطوانة، مشكلةً تدرجاً شعاعياً أولياً (الطور الصلب في الطبقة الخارجية، والطور السائل في الطبقة الداخلية).

المرحلة الثانية: الفصل بالطرد المركزي: اقتران الترسيب الشعاعي والتدفق المحوري

1. الترسيب الشعاعي: الحركة الطاردة المركزية للجسيمات

القوة الدافعة: القوة الطاردة المركزية \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (حيث m هي كتلة الجسيم، و\(\omega\) هي السرعة الزاوية للأسطوانة، وr هو الموضع القطري للجسيم) تتسبب في تحرك الجسيمات الصلبة نحو الجدار الداخلي للأسطوانة، متغلبة على المقاومة اللزجة للطور السائل (مقاومة ستوكس).

سرعة الترسيب: سرعة الترسيب الشعاعية للجسيمات \(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\) (تتناسب طرديًا مع فرق الكثافة، ومربع قطر الجسيم، وقوة الطرد المركزي؛ وتتناسب عكسيًا مع لزوجة السائل). تتطلب الجسيمات الدقيقة (مثلًا، أقل من 10 ميكرومتر) سرعات دوران أعلى أو فترات احتجاز أطول للترسب على الجدار الداخلي للأسطوانة.

2. التدفق المحوري: الحركة الصفائحية للطور السائل

اتجاه التدفق: يتدفق الطور السائل (بما في ذلك الجسيمات غير المترسبة المحمولة) من طرف التغذية (القسم الأسطواني من الأسطوانة) إلى طرف الفائض (نهاية القسم الأسطواني) تحت فرق الضغط المحوري، مما يشكل تدفقًا صفائحيًا محوريًا (رقم رينولدز \(Re < 2000\) لتجنب الاضطراب الذي يعيق كفاءة الفصل).

توزيع السرعة: تُظهر السرعة المحورية للسائل \(v_z\) توزيعًا مكافئًا على طول الاتجاه القطري (أسرع ما يمكن في المركز، وتقترب من الصفر بالقرب من الجدار الداخلي للأسطوانة)، ويرتبط هذا التوزيع ارتباطًا وثيقًا بسُمك حلقة السائل داخل الأسطوانة (الذي يُحدده ارتفاع حاجز الفائض). فكلما كانت حلقة السائل أرق (أي كلما انخفض ارتفاع حاجز الفائض)، زادت سرعة التدفق المحوري للسائل، وقصر زمن الاحتفاظ.

3. تراكب مسارات الحركة

إن مسار الحركة الفعلي للجسيمات الفردية هو التركيب الاتجاهي لسرعة الترسيب الشعاعي \(v_r\) وسرعة التدفق المحوري \(v_z\)، ويمتد بشكل حلزوني نحو نهاية الأسطوانة:

إذا أكملت الجسيمات الترسيب الشعاعي قبل الوصول إلى منفذ الفائض (\(v_r \cdot t \geq \Delta r\)، حيث t هو وقت الاحتفاظ بالطور السائل و\(\Delta r\) هي المسافة الشعاعية من الموضع الأولي للجسيم إلى الجدار الداخلي للأسطوانة)، فإنها تُحتفظ على الجدار الداخلي للأسطوانة كطور صلب؛

إذا لم يكتمل الترسيب، يتم تصريفها مع الطور السائل من منفذ الفائض على شكل "مخلفات الفائض".

المرحلة الثالثة: مرحلة تفريغ المواد الصلبة: النقل المحوري مدفوع بفرق سرعة البرغي

1. الحركة التفاضلية للبرغي والأسطوانة

يدور ناقل البرغي في نفس اتجاه الأسطوانة، لكن سرعة البرغي \(n_{\text{screw}}\) أقل قليلاً من سرعة الأسطوانة \(n_{\text{drum}}\)، مع فرق في السرعة \(\Delta n = n_{\text{drum}} - n_{\text{screw}} = 5–30 \, \text{rpm}\).

يؤدي اختلاف السرعة إلى خلق سرعة زاوية نسبية بين شفرات البرغي وطبقة الرواسب على الجدار الداخلي للأسطوانة، مما يولد قوة دفع محورية (على غرار مبدأ "المضخة اللولبية").

2. الحركة المحورية للطور الصلب

تتجمع الجزيئات الصلبة التي استقرت على الجدار الداخلي للأسطوانة لتشكل طبقة من الرواسب، والتي يتم تحريكها على طول محور الأسطوانة باتجاه منفذ تصريف الخبث المخروطي بواسطة شفرات البرغي:

المقطع الأسطواني: تتراكم الرواسب في البداية، ويبدأ البرغي بالدفع؛

القسم المخروطي: يتناقص القطر الداخلي للأسطوانة تدريجياً، ويتم ضغط الرواسب وتجفيفها بشكل أكبر (يسمى "قسم التجفيف")، ويتم تفريغها في النهاية كمادة صلبة ذات محتوى رطوبة منخفض.

التحكم في وقت الاحتفاظ: يؤدي فرق السرعة الأصغر إلى سرعة دفع أبطأ للبرغي، ووقت احتفاظ أطول للمرحلة الصلبة في الأسطوانة، وتجفيف أكثر شمولاً (على سبيل المثال، في سيناريوهات تجفيف الحمأة)؛ يتيح فرق السرعة الأكبر تصريفًا أسرع للخبث، وهو مناسب للمواد ذات المحتوى الصلب العالي (على سبيل المثال، فصل الملاط المعدني).

رابعاً: مرحلة فيضان السائل: التفريغ المحوري للطور السائل الخفيف

1. تكوين وتطبق الحلقة السائلة

تشكل المرحلة السائلة المنفصلة (المرحلة السائلة الخفيفة أو السائل الصافي) حلقة سائلة داخلية في المنطقة المركزية من الأسطوانة، ويتم تحديد سمكها من خلال ارتفاع حاجز الفائض:

كلما ارتفع حاجز الفائض، زادت سماكة الحلقة السائلة (حجم الطور السائل أكبر في الأسطوانة)، وزاد وقت احتفاظ الطور السائل، وزادت دقة الفصل؛

كلما انخفض مستوى حاجز الفائض، كلما كانت حلقة السائل أرق، مما يؤدي إلى زيادة الإنتاجية ولكن دقة الفصل أقل.

2. التدفق المحوري وتفريغ الطور السائل

تتدفق المرحلة السائلة في الحلقة السائلة محورياً باتجاه منفذ الفائض في حالة انسيابية ويتم تصريفها باستمرار من خلال حاجز الفائض:

في عملية فصل المواد الصلبة عن السائلة، يتم تصريف السائل الصافي (مثل النفايات السائلة بعد معالجة مياه الصرف الصحي)؛

في فصل السوائل، إذا كان هناك طوران سائلان (على سبيل المثال، تدرج الزيت والماء)، يتم تصريف الطور السائل الخفيف (الزيت) من منفذ الفائض الداخلي، ويتم تصريف الطور السائل الثقيل (الماء) من منفذ الفائض الخارجي (مما يتطلب تصميمًا مزدوجًا لسد الفائض).