شركة شنتشو للآلات - شركة تصنيع آلات الطرد المركزي الصناعية المتخصصة ومورد أجهزة الفصل بالطرد المركزي في الصين
مبدأ عمل جهاز الطرد المركزي
إدخال المواد: يتم تغذية المواد المراد فصلها (مثل المعلقات أو المستحلبات) بشكل مستمر محوريًا عبر أنبوب التغذية إلى مركز الأسطوانة (تجويف أسطواني أفقي) يدور بسرعة عالية.
وظيفة المجال الطارد المركزي: يدور الأسطوانة بسرعة عالية (1500-4500 دورة في الدقيقة)، مولدًا قوة طرد مركزي (معامل الفصل Kc=gω²r، ويتراوح عادةً بين 1500 و5000)، تصل شدتها إلى آلاف أضعاف قوة الجاذبية. تحت تأثير قوة الطرد المركزي، تترسب الجسيمات الأكثر كثافة (الطور الصلب أو الطور السائل الثقيل) باتجاه الجدار الداخلي للأسطوانة، بينما تتجمع الأطوار السائلة الأقل كثافة (الأطوار السائلة الخفيفة) باتجاه مركز الأسطوانة، مكونةً طبقات شعاعية.
2. الترسيب الصلب والنقل اللولبي
عملية الترسيب: تتغلب الجسيمات الصلبة على مقاومة الطور السائل بفعل قوة الطرد المركزي، فتتحرك نحو الجدار الداخلي للأسطوانة وتترسب عليه لتشكل طبقة من الرواسب (مثل الحمأة أو الجسيمات البلورية). يرتبط معدل ترسيب الجسيمات بقوة الطرد المركزي، وحجم الجسيمات، وفرق الكثافة، ولزوجة السائل (تطبيق موسع لقانون ستوكس).
الحركة التفاضلية للبرغي:
يدور ناقل البرغي في نفس اتجاه الأسطوانة ولكن بسرعة مختلفة (فرق السرعة)، حيث يدور البرغي عادةً بشكل أبطأ قليلاً من الأسطوانة.
يُحدث فرق السرعة حركة نسبية بين البرغي وطبقة الرواسب على الجدار الداخلي للأسطوانة. تدفع شفرات البرغي الرواسب على طول محور الأسطوانة باتجاه منفذ تصريف الخبث المخروطي (يكون اتجاه الدفع متوافقًا مع محور الأسطوانة).
التحكم في وقت الاحتفاظ: يعني فرق السرعة الأصغر وقت احتفاظ أطول بالمواد الصلبة في الأسطوانة، مما يؤدي إلى فصل أكثر شمولاً؛ ويؤدي فرق السرعة الأكبر إلى زيادة سرعة تفريغ الخبث، وهو مناسب للمواد ذات المحتوى الصلب العالي.
3. فيضان السائل وتصريفه
فصل الطور السائل الخفيف: يشكل الطور السائل المنفصل (السائل الخفيف أو السائل الصافي) حلقة سائلة داخلية، تتدفق محوريًا على طول الأسطوانة باتجاه نهاية الفائض الأسطوانية وتفرغ باستمرار من خلال الفائض (مع ارتفاع قابل للتعديل).
التحكم في سُمك طبقة السائل: يحدد ارتفاع حاجز الفائض سُمك حلقة السائل (أي حجم السائل في الأسطوانة). يعني السُمك الأصغر مدة بقاء أقصر للسائل في الأسطوانة، مما يُناسب الفصل السريع؛ بينما يُتيح السُمك الأكبر فصلًا أدق.
ثانياً: تحليل الآليات الفيزيائية الرئيسية
1. القوة الدافعة للترسيب بالطرد المركزي
معامل الفصل Kc: يعكس هذا المعامل مباشرةً شدة قوة الطرد المركزي، فكلما زادت قيمة Kc، زادت سرعة ترسب الجسيمات. على سبيل المثال:
عند معالجة الجسيمات الدقيقة (مثل 1-10 ميكرومتر) أو المواد ذات الاختلافات الصغيرة في الكثافة (مثل مخاليط الزيت والماء)، يلزم زيادة سرعة الدوران لتعزيز Kc.
هناك حاجة إلى قوة طرد مركزي أعلى للتغلب على مقاومة السوائل للمواد عالية اللزوجة (مثل معلقات البوليمر).
2. دور فرق سرعة البرغي
مصدر طاقة تصريف الخبث: الحركة النسبية الناتجة عن اختلاف السرعة تمكن شفرات البرغي من ممارسة قوة دفع محورية على طبقة الرواسب، والتغلب على الاحتكاك بين الرواسب والجدار الداخلي للأسطوانة (المتعلق بلزوجة المادة وضغط المواد الصلبة).
عزم الدوران واستهلاك الطاقة: يؤدي فرق السرعة الأكبر إلى زيادة سرعة دفع البرغي، ولكن عزم الدوران واستهلاك الطاقة يرتفعان أيضًا؛ وقد يتسبب فرق السرعة الصغير للغاية في تراكم الرواسب وحتى انسداد الأسطوانة.
3. الخصائص الهيدروديناميكية
التدفق الصفائحي: يتدفق الطور السائل في الأسطوانة في حالة صفائحية (رقم رينولدز منخفض)، مما يقلل من تأثير الاضطراب على كفاءة الفصل.
توزيع السرعة المحورية: يجب أن تتطابق سرعة التدفق المحوري للطور السائل في الأسطوانة مع معدل ترسيب المواد الصلبة لتجنب انجراف الجسيمات غير المترسبة وتفريغها بواسطة الطور السائل (أي ظاهرة "الدائرة القصيرة").
ثالثًا: الاختلافات الرئيسية في سيناريوهات الانفصال المختلفة
1. فصل المواد الصلبة عن السائلة (سيناريو الطور السائل الأحادي)
العملية النموذجية:
تستقر المادة الصلبة (مثل جزيئات الحمأة) على الجدار الداخلي للأسطوانة لتشكيل طبقة من الرواسب؛
يقوم البرغي بدفع الرواسب إلى منفذ تصريف الخبث المخروطي، ويتم تصريف الطور الصلب المجفف (مع انخفاض محتوى الرطوبة)؛
يتم تصريف السائل الصافي (الطور السائل) من خلال منفذ الفائض.
التحكم الرئيسي: تحقيق التوازن بين الإنتاجية وكفاءة الفصل من خلال ضبط سرعة الدوران (التي تؤثر على كفاءة الترسيب) وفرق السرعة (الذي يؤثر على سرعة تصريف الخبث). على سبيل المثال، تتطلب الحمأة ذات المحتوى الصلب العالي تقليل سرعة الدوران وزيادة فرق السرعة لتجنب انسداد الأسطوانة.
2. فصل السوائل (طورين سائلين، على سبيل المثال، فصل الزيت عن الماء)
آلية التطبق: بسبب اختلافات الكثافة (ρسائل ثقيل > ρسائل خفيف)، يشكل سائلان غير قابلين للامتزاج حلقات سائلة داخلية وخارجية تحت تأثير قوة الطرد المركزي:
تكون المرحلة السائلة الثقيلة (مثل مياه الصرف الصحي) بالقرب من الجدار الداخلي للبرميل، وتكون المرحلة السائلة الخفيفة (مثل الزيت) بالقرب من المركز.
تصميم منفذ الفائض المزدوج: يتم تصريف الطور السائل الثقيل عبر منفذ الفائض الخارجي، والطور السائل الخفيف عبر منفذ الفائض الداخلي. تعتمد دقة الفصل على فرق الكثافة بين الطورين السائلين وسرعة الدوران (يتطلب فرق الكثافة الأصغر سرعة دوران أعلى).
3. فصل ثلاثي الأطوار سائل-صلب-سائل (على سبيل المثال، إنتاج الديزل الحيوي)
التطبق ثلاثي المراحل:
تستقر المرحلة الأثقل (المرحلة الصلبة، مثل بقايا المحفز) على الجدار الداخلي للأسطوانة ويتم تفريغها بواسطة البرغي؛
تشكل المرحلة المتوسطة (المرحلة السائلة الثقيلة، مثل الجلسرين) والمرحلة الخفيفة (المرحلة السائلة الخفيفة، مثل إستر الميثيل) حلقتين سائلتين، يتم تصريفهما من خلال منافذ فيضان مختلفة.
التحسين الهيكلي: يلزم وجود أجهزة تجميع الطور السائل الوسيطة أو تعديلات على مواضع سد الفائض لضمان الفصل الكامل للأطوار الثلاثة ومنع الخلط.
رابعاً: المعايير التشغيلية الرئيسية المؤثرة على المبدأ
سرعة الدوران (عامل الفصل): تحدد شدة قوة الطرد المركزي، مما يؤثر بشكل مباشر على معدل ترسيب الجسيمات ووضوح السائل.
فرق السرعة: يتحكم في وقت الاحتفاظ بالطور الصلب وكفاءة تصريف الخبث، ويتطلب تعديلًا ديناميكيًا بناءً على لزوجة المادة ومحتواها الصلب.
معدل التغذية: تؤدي سرعة التغذية العالية للغاية إلى عدم كفاية وقت الاحتفاظ بالسائل، مما يتسبب في تصريف الجزيئات غير المترسبة مع السائل الصافي ويقلل من كفاءة الفصل.
المساعدة في عملية التلبيد: بالنسبة للمواد ذات الجسيمات الدقيقة (على سبيل المثال، <1 ميكرومتر)، يجب إضافة مواد التلبيد لتعزيز تكتل الجسيمات، وزيادة حجم الجسيمات الفعال، وتعزيز سرعة الترسيب.
خامساً: حالات نموذجية لتطبيق المبدأ
معالجة مياه الصرف الصحي: يتم ترسيب الحمأة التي تحتوي على نسبة رطوبة 95% بالطرد المركزي، ثم يقوم البرغي بدفع طبقات الطين التي تحتوي على نسبة رطوبة تتراوح بين 75% و85%. يُعاد استخدام السائل الصافي الناتج أو يُعالج بشكل إضافي.
تجفيف النفط الخام: باستخدام اختلافات الكثافة بين النفط والماء والملح (الماء + الملح > النفط)، فإن سرعة الدوران العالية (على سبيل المثال، 3000 دورة في الدقيقة) تتسبب في استقرار طور الماء على الجدار الداخلي للأسطوانة، بينما يفيض طور النفط من المركز، مما يحقق إزالة الملح والتجفيف.
بفضل المبادئ المذكورة أعلاه، يحقق جهاز الطرد المركزي ذو الطرد المركزي فصلًا مستمرًا وفعالًا متعدد الأطوار. وتكمن ميزته الأساسية في دمج الترسيب بالطرد المركزي والنقل الميكانيكي في جهاز واحد، مما يحقق توازنًا بين الإنتاجية ودقة الفصل، مع تطبيقات واسعة في عمليات استخلاص المواد الصلبة والسائلة الصناعية وإعادة تدوير الموارد.
