Funktionsprinzip einer Dekanterzentrifuge
Materialzufuhr: Zu trennende Materialien (wie Suspensionen oder Emulsionen) werden kontinuierlich axial durch das Zufuhrrohr in die Mitte der Trommel (einen horizontalen zylindrischen Hohlraum) zugeführt, die sich mit hoher Geschwindigkeit dreht.
Funktion des Zentrifugalfeldes: Die Trommel rotiert mit hoher Geschwindigkeit (1500–4500 U/min) und erzeugt dabei eine Zentrifugalkraft (Trennungsfaktor Kc = gω²r, typischerweise 1500–5000), deren Intensität das Tausendfache der Schwerkraft erreichen kann. Unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft setzen sich dichtere Partikel (feste Phase oder schwere flüssige Phase) an der Innenwand der Trommel ab, während sich weniger dichte flüssige Phasen (leichte flüssige Phasen) zur Trommelmitte hin sammeln und so eine radiale Schichtung bilden.
2. Feststoffsedimentation und Schneckenförderung
Sedimentationsprozess: Feste Partikel überwinden unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft den Widerstand der flüssigen Phase, bewegen sich zur Innenwand der Trommel und lagern sich dort ab, wodurch eine Sedimentschicht (z. B. Schlamm oder Kristallpartikel) entsteht. Die Sedimentationsrate der Partikel hängt von der Zentrifugalkraft, der Partikelgröße, der Dichtedifferenz und der Viskosität der Flüssigkeit 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 (Geschwindigkeitsdifferenz), 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 Schneckenschaufeln schieben das Sediment entlang der Trommelachse in Richtung des konischen Schlackenauslasses am Ende (die Schubrichtung entspricht der Trommelachse).
Steuerung der Verweilzeit: Eine geringere Geschwindigkeitsdifferenz bedeutet eine längere Verweilzeit der Feststoffe in der Trommel, was zu einer gründlicheren Trennung führt; eine größere Geschwindigkeitsdifferenz erhöht die Schlackenaustragsgeschwindigkeit und eignet sich für Materialien mit hohem Feststoffgehalt.
3. Flüssigkeitsüberlauf und -ableitung
Abtrennung der leichten Flüssigkeitsphase: Die abgetrennte 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) abgeführt 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 und eignet sich für eine schnelle Trennung; eine größere Dicke ermöglicht eine feinere Trennung.
II. Analyse der wichtigsten physikalischen Mechanismen
1. Triebkraft der Zentrifugalsedimentation
Trennfaktor Kc: Er spiegelt direkt die Stärke der Zentrifugalkraft wider; ein größerer Kc-Wert führt zu einer schnelleren Sedimentation der Partikel. Zum Beispiel:
Bei der Verarbeitung feiner Partikel (z. B. 1–10 μm) oder Materialien mit geringen Dichteunterschieden (z. B. Öl-Wasser-Gemische) ist eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit erforderlich, um Kc zu verbessern.
Um den Strömungswiderstand bei hochviskosen Materialien (wie z. B. Polymersuspensionen) zu überwinden, ist eine höhere Zentrifugalkraft erforderlich.
2. Rolle der Schraubendrehzahldifferenz
Quelle der Schlackenaustragsleistung: Die durch den Geschwindigkeitsunterschied hervorgerufene Relativbewegung ermöglicht es den Schneckenschaufeln, einen axialen Schub auf die Sedimentschicht auszuüben und so die Reibung zwischen dem Sediment und der Innenwand der Trommel (die mit der Materialviskosität und der Feststoffverdichtung zusammenhängt) zu überwinden.
Drehmoment und Energieverbrauch: Ein größerer Drehzahlunterschied erhöht die Schneckenvorschubgeschwindigkeit, aber auch Drehmoment und Energieverbrauch steigen; ein zu kleiner Drehzahlunterschied kann zu Ablagerungen und sogar zur Verstopfung der Trommel führen.
3. Hydrodynamische Eigenschaften
Laminare Strömung: Die flüssige Phase in der Trommel strömt laminar (niedrige Reynolds-Zahl), wodurch die Beeinträchtigung der Trenneffizienz durch Turbulenzen reduziert wird.
Axiale Geschwindigkeitsverteilung: Die axiale Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase in der Trommel muss der Feststoffsedimentationsrate entsprechen, um zu vermeiden, dass nicht sedimentierte Partikel von der flüssigen Phase mitgerissen und ausgetragen werden (d. h. das "Kurzschlussphänomen").
III. Wesentliche Unterschiede in verschiedenen Trennszenarien
1. Fest-Flüssig-Trennung (Szenario mit nur einer flüssigen Phase)
Typischer Ablauf:
Feste Bestandteile (wie z. B. Schlammpartikel) setzen sich an der Innenwand der Trommel ab und bilden eine Sedimentschicht;
Die Schnecke schiebt das Sediment zum konischen Schlackenauslass, und die entwässerte Feststoffphase (mit reduziertem Feuchtigkeitsgehalt) wird abgeführt.
Die klare Flüssigkeit (flüssige Phase) wird über den Überlauf abgelassen.
Wichtigste Steuerungsparameter: Ausgewogene Abstimmung von Durchsatz und Trenneffizienz durch Anpassung der Drehzahl (die die Sedimentationseffizienz beeinflusst) und der Drehzahldifferenz (die die Schlackenaustragsgeschwindigkeit beeinflusst). Beispielsweise erfordert Schlamm mit hohem Feststoffgehalt eine Reduzierung der Drehzahl und eine Erhöhung der Drehzahldifferenz, um ein Verstopfen der Trommel zu vermeiden.
2. Flüssig-Flüssig-Trennung (Zwei flüssige Phasen, z. B. Öl-Wasser-Trennung)
Schichtungsmechanismus: Aufgrund von Dichteunterschieden (ρschwere Flüssigkeit > ρleichte Flüssigkeit) bilden sich unter Zentrifugalkraft zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in einen inneren und einen äußeren Flüssigkeitsring.
Die schwere flüssige Phase (wie z. B. Abwasser) befindet sich in der Nähe der Innenwand der Trommel, die leichte flüssige Phase (wie z. B. Öl) in der Nähe der Mitte.
Doppeltes Überlaufsystem: Die schwerere Flüssigkeitsphase wird über den äußeren, die leichtere über den inneren Überlauf abgeleitet. Die Trenngenauigkeit hängt vom Dichteunterschied der beiden Flüssigkeitsphasen und der Drehzahl ab (geringerer Dichteunterschied erfordert höhere Drehzahl).
3. Dreiphasentrennung Flüssig-Fest-Flüssig (z. B. Biodieselproduktion)
Dreiphasige Stratifizierung:
Die schwerste Phase (feste Phase, wie z. B. Katalysatorrückstände) setzt sich an der Innenwand der Trommel ab und wird von der Schnecke abgeführt;
Die mittlere Phase (schwere flüssige Phase, z. B. Glycerin) und die leichte Phase (leichte flüssige Phase, z. B. Methylester) bilden zwei Flüssigkeitsringe, die über verschiedene Überlauföffnungen abgeführt werden.
Strukturelle Optimierung: Zur Gewährleistung einer vollständigen Dreiphasentrennung und zur Verhinderung von Vermischungen sind Zwischenspeichervorrichtungen für die flüssige Phase oder Anpassungen der Überlaufwehrpositionen erforderlich.
IV. Wichtige operative Parameter, die das Prinzip beeinflussen
Rotationsgeschwindigkeit (Separationsfaktor): Bestimmt die Zentrifugalkraftintensität und beeinflusst somit direkt die Partikelsedimentationsrate und die Flüssigkeitsklarheit.
Geschwindigkeitsdifferenz: Steuert die Verweilzeit der festen Phase und die Effizienz des Schlackenaustrags und erfordert eine dynamische Anpassung auf Basis der Materialviskosität und des Feststoffgehalts.
Zufuhrgeschwindigkeit: Eine zu hohe Zufuhrgeschwindigkeit führt zu einer unzureichenden Flüssigkeitsverweilzeit, wodurch nicht sedimentierte Partikel mit der klaren Flüssigkeit abgeführt werden und die Trenneffizienz sinkt.
Unterstützung durch Flockungsmittel: 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 steigern.
V. Typische Anwendungsfälle des Prinzips
Abwasserbehandlung: Schlamm mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 95 % wird zentrifugiert, wobei die Schnecke Schlammkuchen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 75–85 % ausstößt. Die klare Flüssigkeit wird wiederverwendet oder weiter aufbereitet.
Rohölentwässerung: Durch Ausnutzung der Dichteunterschiede zwischen Öl, Wasser und Salz (Wasser + Salz > Öl) bewirkt eine hohe Drehzahl (z. B. 3000 U/min), dass sich die Wasserphase an der Innenwand der Trommel absetzt, während die Ölphase aus der Mitte überläuft. Dadurch wird eine Entsalzung und Entwässerung erreicht.
Durch die Anwendung der oben genannten Prinzipien erreicht die Dekanterzentrifuge eine kontinuierliche und effiziente Mehrphasentrennung. Ihr Hauptvorteil liegt in der Integration von Zentrifugalsedimentation und mechanischer Förderung in einem einzigen Gerät, wodurch Durchsatz und Trenngenauigkeit optimal aufeinander abgestimmt werden. Sie findet breite Anwendung in der industriellen Fest-Flüssig-Extraktion und im Ressourcenkreislauf.
