Wie verläuft die Stoffbewegung in einer Dekanterzentrifuge?

I. Zuführungsphase: Axialer Einlass und Umfangsbeschleunigung

Materialzufuhrpfad

Die zu trennenden Stoffe (z. B. Suspensionen) gelangen mit einer geringen Anfangsgeschwindigkeit (nahezu laminare Strömung) durch das zentrale Zufuhrrohr in axialer Richtung (Achse der Trommel) in das Innere der Trommel.

Die Trommel rotiert mit hoher Geschwindigkeit (1500–4500 U/min), wodurch das Innenmaterial schnell eine Umfangsgeschwindigkeit erreicht und sich synchron mit der Trommel dreht (ähnlich einem Zustand der "starren Rotation").

Zentrifugalfeldinitialisierung

Beim Eintritt in die Trommel werden die Materialien sofort der Zentrifugalkraft ausgesetzt (radial zur Außenwand der Trommel gerichtet). Dichteres Material (feste Phase oder schwere flüssige Phase) wandert radial zur Innenwand der Trommel, während sich weniger dichte flüssige Phasen (leichte flüssige Phase) zur Trommelmitte hin sammeln und eine erste 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: Zentrifugalbewegung 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 die Feststoffpartikel zur Innenwand der Trommel hin bewegen und dabei den viskosen Widerstand der flüssigen Phase (Stokes-Widerstand) überwinden.

Sedimentationsgeschwindigkeit: Die radiale Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel \(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\) (proportional zur Dichtedifferenz, zum Quadrat des Partikeldurchmessers und zur Zentrifugalkraft; umgekehrt proportional zur Viskosität der Flüssigkeit). 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

Strömungsrichtung: Die flüssige Phase (einschließlich mitgerissener, nicht sedimentierter Partikel) strömt unter axialer Druckdifferenz 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 Trenneffizienz beeinträchtigen könnten).

Geschwindigkeitsverteilung: Die axiale Geschwindigkeit der flüssigen Phase \(v_z\) zeigt eine parabolische Verteilung entlang der radialen Richtung (am höchsten in der Mitte, nahe 0 in der Nähe der Trommelinnenwand), die eng mit der Dicke des Flüssigkeitsrings in der Trommel (bestimmt durch die Überlaufwehrhöhe) zusammenhängt. Je dünner der Flüssigkeitsring (geringere Überlaufwehrhöhe), desto höher die axiale Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase und desto kürzer die Verweilzeit.

3. Überlagerung von Bewegungstrajektorien

Die tatsächliche Bewegungsbahn einzelner Partikel ist die Vektorsynthese der radialen Sedimentationsgeschwindigkeit \(v_r\) und der axialen Strömungsgeschwindigkeit \(v_z\), die sich spiralförmig zum Ende der Trommel hin erstreckt:

Wenn die Partikel vor Erreichen des Überlaufs eine radiale Sedimentation abschließen (\(v_r \cdot t \geq \Delta r\), 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 die Rückstände zusammen mit der flüssigen Phase über den Überlauf als „Überlaufrückstände“ abgeführt.

III. Feststoffaustragsstufe: Axialtransport durch Schneckendrehzahldifferenz

1. Differenzielle Bewegung von Schraube und Trommel

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

Durch den Geschwindigkeitsunterschied entsteht eine relative Winkelgeschwindigkeit zwischen den Schneckenschaufeln 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

Feste Partikel lagern sich an der Innenwand der Trommel ab und bilden eine Sedimentschicht, die von den Schneckenschaufeln entlang der Trommelachse in Richtung der konischen Schlackenaustragsöffnung transportiert wird:

Zylindrischer Abschnitt: Zunächst sammelt sich Sediment an, und die Schnecke beginnt zu schieben;

Konischer Abschnitt: Der Innendurchmesser der Trommel verringert sich allmählich, und das Sediment wird weiter zusammengepresst und entwässert (sogenannter „Trocknungsabschnitt“), bevor es schließlich als Feststoff mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt ausgetragen wird.

Steuerung der Verweilzeit: Ein geringerer Drehzahlunterschied führt zu einer langsameren Schneckenvorschubgeschwindigkeit, einer längeren Verweilzeit der Feststoffphase in der Trommel und einer gründlicheren Entwässerung (z. B. bei der Schlammentwässerung); ein größerer Drehzahlunterschied ermöglicht einen schnelleren Schlackenaustrag, was für Materialien mit hohem Feststoffgehalt geeignet ist (z. B. bei der Trennung von Mineralschlämmen).

IV. Flüssigkeitsüberlaufstufe: Axiale Entladung der leichten flüssigen Phase

1. Bildung und Schichtung des Flüssigkeitsrings

Die abgetrennte flüssige Phase (helle flüssige Phase oder klare Flüssigkeit) bildet einen inneren Flüssigkeitsring im zentralen Bereich der Trommel, dessen Dicke durch die Höhe des Überlaufwehrs bestimmt wird:

Je höher das Überlaufwehr, desto dicker der Flüssigkeitsring (größeres Flüssigkeitsphasenvolumen in der Trommel), desto länger die Verweilzeit der Flüssigkeitsphase und desto höher die Trenngenauigkeit;

Je niedriger das Überlaufwehr, desto dünner der Flüssigkeitsring, größerer Durchsatz, aber geringere Trenngenauigkeit.

2. Axialströmung und Austrag der flüssigen Phase

Die flüssige Phase im Flüssigkeitsring strömt laminar axial auf den Überlaufanschluss zu und wird kontinuierlich durch das Überlaufwehr abgeführt:

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

Bei der Flüssig-Flüssig-Trennung wird, wenn zwei flüssige Phasen vorliegen (z. B. Öl-Wasser-Schichtung), die leichtere flüssige Phase (Öl) über den inneren Überlauf abgelassen und die schwerere flüssige Phase (Wasser) über den äußeren Überlauf abgelassen (was eine Konstruktion mit zwei Überlaufwehren erfordert).