Funktionsprinzip einer Dekanterzentrifuge

I. Kernprozesse der Materialbewegung:

1. Fütterung und Einrichtung eines Zentrifugalfeldes

Materialeingabe: Zu trennende Materialien (wie Suspensionen oder Emulsionen) werden kontinuierlich axial durch das Zufuhrrohr in die Mitte der Trommel (ein horizontaler zylindrischer Hohlraum) geleitet, die sich mit hoher Geschwindigkeit dreht.

Funktion des Zentrifugalfelds: Die Trommel rotiert mit hoher Geschwindigkeit (1500–4500 U/min) und erzeugt dadurch eine Zentrifugalkraft (Trennfaktor Kc=gω2r, typischerweise 1500–5000), deren Intensität das Tausendfache der Schwerkraft erreichen kann. Unter der Zentrifugalkraft setzen sich dichtere Partikel (feste Phase oder schwere Flüssigkeitsphase) an der Innenwand der Trommel ab, während sich weniger dichte Flüssigkeitsphasen (leichte Flüssigkeitsphasen) zur Trommelmitte hin sammeln und eine radiale Schichtung bilden.

2. Feststoffabscheidung und Schneckenförderung

Sedimentationsprozess: Feste Partikel überwinden den Widerstand der flüssigen Phase unter der Zentrifugalkraft, bewegen sich zur Trommelinnenwand und lagern sich dort ab, wo sie eine Sedimentschicht (z. B. Schlamm oder Kristallpartikel) bilden. Die Sedimentationsrate der Partikel hängt von der Zentrifugalkraft, der Partikelgröße, dem Dichteunterschied und der Flüssigkeitsviskosität ab (erweiterte Anwendung des Stokes'schen Gesetzes).

Differenzielle Bewegung der Schraube:

Die Förderschnecke dreht sich in die gleiche Richtung wie die Trommel, jedoch mit einer anderen Geschwindigkeit (Drehzahldifferenz), wobei sich die Schnecke typischerweise etwas langsamer dreht als die Trommel.

Der Geschwindigkeitsunterschied erzeugt eine Relativbewegung zwischen der Schnecke und der Sedimentschicht an der Innenwand der Trommel. Die Schneckenblätter drücken das Sediment entlang der Trommelachse in Richtung der konischen Schlackenauslassöffnung (die Schubrichtung entspricht der Trommelachse).

Steuerung der Verweilzeit: Ein kleinerer Geschwindigkeitsunterschied bedeutet eine längere Verweilzeit der Feststoffe in der Trommel, was zu einer gründlicheren Trennung führt; ein größerer Geschwindigkeitsunterschied erhöht die Schlackenaustragsgeschwindigkeit und ist für Materialien mit hohem Feststoffgehalt geeignet.

3. Flüssigkeitsüberlauf und -abfluss

Trennung der leichten Flüssigkeitsphase: Die getrennte Flüssigkeitsphase (leichte Flüssigkeit oder klare Flüssigkeit) bildet einen inneren Flüssigkeitsring, der axial entlang der Trommel zum zylindrischen Überlaufwehr am Ende fließt und kontinuierlich durch das Überlaufwehr (mit einstellbarer Höhe) abgelassen wird.

Kontrolle der Flüssigkeitsschichtdicke: Die Höhe des Überlaufwehrs bestimmt die Dicke des Flüssigkeitsrings (d. h. das Flüssigkeitsvolumen in der Trommel). Eine geringere Dicke bedeutet eine kürzere Verweilzeit der Flüssigkeit in der Trommel, was eine schnelle Trennung ermöglicht; eine größere Dicke ermöglicht eine feinere Trennung.

II. Analyse der wichtigsten physikalischen Mechanismen

1. Triebkraft der Zentrifugalsedimentation

Trennfaktor Kc: Ein höherer Kc-Faktor spiegelt die Intensität der Zentrifugalkraft wider und führt zu einer schnelleren Partikelsedimentation. Beispiel:

Bei der Verarbeitung feiner Partikel (z. B. 1–10 μm) oder Materialien mit kleinen Dichteunterschieden (z. B. Öl-Wasser-Gemische) ist eine Erhöhung der Drehzahl zur Verbesserung von Kc erforderlich.

Um den Flüssigkeitswiderstand bei Materialien mit hoher Viskosität (wie etwa Polymerschlämmen) zu überwinden, ist eine höhere Zentrifugalkraft erforderlich.

2. Rolle der Schraubendrehzahldifferenz

Quelle der Schlackenentladungsleistung: Die durch den Geschwindigkeitsunterschied verursachte Relativbewegung ermöglicht es den Schneckenblättern, einen axialen Schub auf die Sedimentschicht auszuüben und so die Reibung zwischen dem Sediment und der Innenwand der Trommel (im Zusammenhang mit der Materialviskosität und der Feststoffverdichtung) zu überwinden.

Drehmoment und Energieverbrauch: Ein größerer Drehzahlunterschied erhöht die Schneckengeschwindigkeit, aber auch Drehmoment und Energieverbrauch steigen; ein zu kleiner Drehzahlunterschied kann zu Ablagerungen und sogar zu einer Trommelverstopfung führen.

3. Hydrodynamische Eigenschaften

Laminare Strömung: Die flüssige Phase in der Trommel fließt in einem laminaren Zustand (niedrige Reynolds-Zahl), wodurch die Beeinträchtigung der Trennleistung durch Turbulenzen verringert wird.

Axiale Geschwindigkeitsverteilung: Die axiale Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase in der Trommel muss der Feststoffsedimentationsrate entsprechen, um zu verhindern, dass nicht sedimentierte Partikel von der flüssigen Phase mitgerissen und ausgetragen werden (d. h. das „Kurzschlussphänomen“).

III. Grundlegende Unterschiede in verschiedenen Trennungsszenarien

1. Fest-Flüssig-Trennung (Szenario mit einer einzigen flüssigen Phase)

Typischer Prozess:

Feste Phasen (wie beispielsweise Schlammpartikel) setzen sich an der Innenwand der Trommel ab und bilden eine Sedimentschicht.

Die Schnecke drückt das Sediment zum Schlackenauslass am konischen Ende und die entwässerte Feststoffphase (mit reduziertem Feuchtigkeitsgehalt) wird ausgetragen.

Klare Flüssigkeit (Flüssigphase) wird durch den Überlaufanschluss abgelassen.

Hauptsteuerung: Ausgleich von Durchsatz und Trennleistung durch Anpassung der Drehzahl (beeinflusst die Sedimentationsleistung) und der Drehzahldifferenz (beeinflusst die Schlackenaustragsgeschwindigkeit). Beispielsweise erfordert Schlamm mit hohem Feststoffgehalt eine Reduzierung der Drehzahl und eine Erhöhung der Drehzahldifferenz, um eine Trommelverstopfung zu vermeiden.

2. Flüssig-Flüssig-Trennung (zwei flüssige Phasen, zB Öl-Wasser-Trennung)

Schichtungsmechanismus: Aufgrund von Dichteunterschieden (ρschwere Flüssigkeit > ρleichte Flüssigkeit) bilden zwei nicht mischbare Flüssigkeiten unter der Zentrifugalkraft innere und äußere Flüssigkeitsringe:

Die schwere Flüssigkeitsphase (z. B. Abwasser) befindet sich nahe der Innenwand der Trommel und die leichte Flüssigkeitsphase (z. B. Öl) nahe der Mitte.

Doppelter Überlaufanschluss: Die schwere Flüssigkeitsphase wird durch den äußeren Überlaufanschluss und die leichte Flüssigkeitsphase durch den inneren Überlaufanschluss abgelassen. Die Trenngenauigkeit hängt vom Dichteunterschied zwischen den beiden Flüssigkeitsphasen und der Rotationsgeschwindigkeit ab (kleinere Dichteunterschiede erfordern eine höhere Rotationsgeschwindigkeit).

3. Flüssig-Fest-Flüssig-Dreiphasentrennung (z. B. Biodieselproduktion)

Dreiphasige Schichtung:

Die schwerste Phase (feste Phase, z. B. Katalysatorrückstände) setzt sich an der Trommelinnenwand ab und wird durch die Schnecke ausgetragen;

Die Zwischenphase (schwere Flüssigkeitsphase, z. B. Glycerin) und die leichte Phase (leichte Flüssigkeitsphase, z. B. Methylester) bilden zwei Flüssigkeitsringe, die durch unterschiedliche Überlauföffnungen abgelassen werden.

Strukturelle Optimierung: Um eine vollständige Dreiphasentrennung zu gewährleisten und eine Vermischung zu verhindern, sind Zwischensammelvorrichtungen für die flüssige Phase oder Anpassungen der Überlaufwehrpositionen erforderlich.

IV. Wichtige Betriebsparameter, die das Prinzip beeinflussen

Rotationsgeschwindigkeit (Trennfaktor): Bestimmt die Intensität der Zentrifugalkraft und wirkt sich direkt auf die Partikelsedimentationsrate und die Flüssigkeitsklarheit aus.

Geschwindigkeitsunterschied: Steuert die Verweilzeit der festen Phase und die Effizienz der Schlackenentladung und erfordert eine dynamische Anpassung basierend auf der Materialviskosität und dem Feststoffgehalt.

Förderleistung: Eine zu hohe Förderleistung führt zu einer unzureichenden Flüssigkeitsverweilzeit, wodurch nicht sedimentierte Partikel mit der klaren Flüssigkeit ausgetragen werden und die Trennleistung abnimmt.

Flockungsmittelunterstützung: Bei Materialien mit feinen Partikeln (z. B. < 1 μm) müssen Flockungsmittel hinzugefügt werden, um die Partikelagglomeration zu fördern, die effektive Partikelgröße zu erhöhen und die Sedimentationsgeschwindigkeit zu verbessern.

V. Typische Fälle der grundsätzlichen Anwendung

Abwasserbehandlung: Schlamm mit 95 % Feuchtigkeitsgehalt wird zentrifugal sedimentiert, und die Schnecke fördert Schlammkuchen mit 75–85 % Feuchtigkeitsgehalt heraus. Die klare Flüssigkeit wird wiederverwendet oder weiterbehandelt.

Rohölentwässerung: Durch Ausnutzung der Dichteunterschiede zwischen Öl, Wasser und Salz (Wasser + Salz > Öl) bewirkt eine hohe Rotationsgeschwindigkeit (z. B. 3000 U/min), dass sich die Wasserphase an der Innenwand der Trommel absetzt, während die Ölphase aus der Mitte überläuft, wodurch eine Entsalzung und Entwässerung erreicht wird.

Dank der oben genannten Prinzipien ermöglicht die Dekantierzentrifuge eine kontinuierliche und effiziente Mehrphasentrennung. Ihr Hauptvorteil liegt in der Integration von Zentrifugalsedimentation und mechanischer Förderung in einem einzigen Gerät, wodurch Durchsatz und Trennpräzision optimal ausbalanciert werden. Das System bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in der industriellen Fest-Flüssig-Rückgewinnung und im Ressourcenkreislauf.

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