Wie läuft die Bewegung der Materialien in einer Dekantierzentrifuge ab?

I. Förderstufe: Axialer Einlass und Umfangsbeschleunigung

Materialeingabepfad

Zu trennende Materialien (z. B. Suspensionen) gelangen mit einer niedrigen Anfangsgeschwindigkeit (nahezu laminare Strömung) entlang der axialen Richtung (Achse der Trommel) durch das zentrale Zufuhrrohr in das Innere der Trommel.

Die Trommel dreht sich mit hoher Geschwindigkeit (1500–4500 U/min), wodurch die Materialien im Inneren schnell eine Umfangsgeschwindigkeit erreichen und sich synchron mit der Trommel drehen (ähnlich einem Zustand „starrer Rotation“).

Zentrifugalfeldinitialisierung

Beim Eintritt in die Trommel werden die Materialien sofort der Zentrifugalkraft ausgesetzt (radial zur Außenwand der Trommel gerichtet). Dichtere Partikel (feste Phase oder schwere Flüssigkeitsphase) beginnen radial zur Innenwand der Trommel zu wandern, während sich weniger dichte Flüssigkeitsphasen (leichte Flüssigkeitsphase) in der Mitte der Trommel sammeln und eine vorläufige radiale Schichtung bilden (feste Phase in der äußeren Schicht, flüssige Phase in der inneren Schicht).

II. Zentrifugale Trennstufe: Kopplung von radialer Sedimentation und axialer Strömung

1. Radiale Sedimentation: Zentrifugale Bewegung von Partikeln

Antriebskraft: Die Zentrifugalkraft \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (wobei m die Partikelmasse, \(\omega\) die Winkelgeschwindigkeit der Trommel und r die radiale Position des Partikels ist) bewirkt, dass sich Partikel in fester Phase in Richtung der Innenwand der Trommel bewegen und dabei den viskosen Widerstand der flüssigen Phase (Stokes-Widerstand) überwinden.

Sedimentationsgeschwindigkeit: Die radiale Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln \(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\) (proportional zur Dichtedifferenz, zum Quadrat des Partikeldurchmessers und zur Zentrifugalkraft; umgekehrt proportional zur Flüssigkeitsviskosität). Feine Partikel (z. B. < 10 μm) benötigen höhere Rotationsgeschwindigkeiten oder längere Verweilzeiten, um sich an der Innenwand der Trommel abzusetzen.

2. Axialströmung: Laminare Bewegung der flüssigen Phase

Fließrichtung: Die flüssige Phase (einschließlich mitgerissener nicht sedimentierter Partikel) fließt unter axialem Druckunterschied vom Zulaufende (zylindrischer Abschnitt der Trommel) zum Überlaufende (Ende des zylindrischen Abschnitts) und bildet eine axiale laminare Strömung (Reynolds-Zahl \(Re < 2000\), um Turbulenzen zu vermeiden, die die Trennleistung beeinträchtigen).

Geschwindigkeitsverteilung: Die axiale Geschwindigkeit der Flüssigphase \(v_z\) weist eine parabolische Verteilung entlang der radialen Richtung auf (am schnellsten in der Mitte, nahe der Trommelinnenwand gegen 0). Diese Verteilung hängt eng mit der Dicke des Flüssigkeitsrings in der Trommel zusammen (bestimmt durch die Höhe des Überlaufwehrs). Je dünner der Flüssigkeitsring (niedrigere Höhe des Überlaufwehrs), desto schneller ist die axiale Fließgeschwindigkeit der Flüssigphase und desto kürzer ist die Verweilzeit.

3. Überlagerung von Bewegungstrajektorien

Die tatsächliche Bewegungsbahn einzelner Partikel ergibt sich aus der Vektorsynthese aus radialer Sedimentationsgeschwindigkeit \(v_r\) und axialer Fließgeschwindigkeit \(v_z\), die spiralförmig zum Trommelende hin verläuft:

Wenn die Partikel die radiale Sedimentation abschließen, bevor sie den Überlaufanschluss erreichen (\(v_r \cdot t \geq \Delta r\), wobei t die Verweilzeit der flüssigen Phase und \(\Delta r\) der radiale Abstand von der Ausgangsposition des Partikels zur Innenwand der Trommel ist), werden sie als feste Phase an der Innenwand der Trommel zurückgehalten;

Bei unvollständiger Sedimentation werden sie als „Überlaufrückstände“ mit der Flüssigphase aus dem Überlaufstutzen ausgetragen.

III. Feststoffentladungsphase: Axialer Transport durch Schneckendrehzahldifferenz

1. Differenzielle Bewegung von Schnecke und Trommel

Die Förderschnecke dreht sich in die gleiche Richtung wie die Trommel, aber die Schneckendrehzahl \(n_{\text{screw}}\) ist etwas niedriger als die Trommeldrehzahl \(n_{\text{drum}}\), mit einer Drehzahldifferenz von \(\Delta n = n_{\text{drum}} - n_{\text{screw}} = 5–30 \, \text{U/min}\).

Durch die Geschwindigkeitsdifferenz entsteht eine relative Winkelgeschwindigkeit zwischen den Schneckenblättern und der Sedimentschicht an der Innenwand der Trommel, wodurch eine axiale Schubkraft erzeugt wird (ähnlich dem Prinzip einer „Schraubenpumpe“).

2. Axiale Bewegung der festen Phase

An der Innenwand der Trommel abgelagerte Feststoffpartikel bilden eine Sedimentschicht, die durch die Schneckenflügel entlang der Trommelachse in Richtung der konischen Schlackenaustragsöffnung bewegt wird:

Zylindrischer Abschnitt: Zunächst sammelt sich Sediment an und die Schraube beginnt zu drücken;

Konischer Abschnitt: Der Innendurchmesser der Trommel nimmt allmählich ab und das Sediment wird weiter gepresst und entwässert (sogenannter „Trocknungsabschnitt“) und schließlich als Feststoff mit geringem Feuchtigkeitsgehalt entladen.

Steuerung der Verweilzeit: Ein kleinerer Geschwindigkeitsunterschied führt zu einer langsameren Schneckengeschwindigkeit, einer längeren Verweilzeit der festen Phase in der Trommel und einer gründlicheren Entwässerung (z. B. bei der Schlammentwässerung); ein größerer Geschwindigkeitsunterschied ermöglicht eine schnellere Schlackenentladung, die für Materialien mit hohem Feststoffgehalt geeignet ist (z. B. bei der Trennung von Mineralschlämmen).

IV. Flüssigkeitsüberlaufstufe: Axialer Austrag der leichten Flüssigkeitsphase

1. Bildung und Schichtung des Flüssigkeitsrings

Die abgetrennte Flüssigkeitsphase (Leichtflüssigkeitsphase bzw. Klarflüssigkeit) bildet im mittleren Bereich der Trommel einen inneren Flüssigkeitsring, dessen Dicke durch die Höhe des Überlaufwehrs bestimmt wird:

Je höher das Überlaufwehr, desto dicker der Flüssigkeitsring (größeres Flüssigphasenvolumen in der Trommel), desto länger die Verweilzeit der Flüssigphase und desto höher die Trennpräzision.

Je niedriger das Überlaufwehr, desto dünner der Flüssigkeitsring, desto größer der Durchsatz, aber desto geringer die Trennpräzision.

2. Axiale Strömung und Ableitung der flüssigen Phase

Die Flüssigkeitsphase im Flüssigkeitsring fließt laminar axial zum Überlaufanschluss und wird kontinuierlich durch das Überlaufwehr abgeführt:

Bei der Fest-Flüssig-Trennung wird klare Flüssigkeit (z. B. Abwasser nach der Abwasserbehandlung) abgelassen;

Bei der Flüssig-Flüssig-Trennung wird, wenn zwei Flüssigkeitsphasen vorhanden sind (z. B. Öl-Wasser-Schichtung), die leichte Flüssigkeitsphase (Öl) aus dem inneren Überlaufanschluss und die schwere Flüssigkeitsphase (Wasser) aus dem äußeren Überlaufanschluss abgelassen (wofür die Konstruktion eines doppelten Überlaufwehrs erforderlich ist).

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