Shenzhou Machinery - Fabricante profesional de máquinas centrífugas industriales y proveedor de separadores centrífugos en China
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Shenzhou Machinery - Fabricante profesional de máquinas centrífugas industriales y proveedor de separadores centrífugos en China
El movimiento de materiales en una centrífuga decantadora es un proceso dinámico de acoplamiento entre sedimentación centrífuga, estratificación radial y transporte axial, que implica movimientos complejos en el espacio tridimensional (radial, axial y circunferencial). La siguiente descripción se desarrolla a partir de cuatro etapas clave: alimentación, separación centrífuga, descarga de sólidos y rebose de líquidos, analizando las leyes del movimiento en combinación con las características de la mecánica de fluidos.
I. Etapa de alimentación: entrada axial y aceleración circunferencial
Ruta de entrada del material
Los materiales a separar (como suspensiones) ingresan al interior del tambor en dirección axial (eje del tambor) a través del tubo de alimentación central, con una velocidad inicial baja (próxima al flujo laminar).
El tambor gira a alta velocidad (1500–4500 rpm), lo que impulsa los materiales internos a adquirir rápidamente velocidad circunferencial y girar sincrónicamente con el tambor (similar a un estado de "rotación rígida").
Inicialización del campo centrífugo
Al entrar en el tambor, los materiales se someten inmediatamente a la fuerza centrífuga (dirigida radialmente hacia la pared exterior del tambor). Las partículas más densas (fase sólida o fase líquida pesada) comienzan a migrar radialmente hacia la pared interior del tambor, mientras que las fases líquidas menos densas (fase líquida ligera) se concentran hacia el centro del tambor, formando una estratificación radial preliminar (fase sólida en la capa exterior, fase líquida en la capa interior).
II. Etapa de separación centrífuga: Acoplamiento de la sedimentación radial y el flujo axial
1. Sedimentación radial: movimiento centrífugo de partículas
Fuerza impulsora: La fuerza centrífuga \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (donde m es la masa de la partícula, \(\omega\) es la velocidad angular del tambor y r es la posición radial de la partícula) hace que las partículas de fase sólida se muevan hacia la pared interna del tambor, superando la resistencia viscosa de la fase líquida (resistencia de Stokes).
Velocidad de sedimentación: La velocidad radial de sedimentación de las partículas \(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\) (proporcional a la diferencia de densidad, al cuadrado del diámetro de la partícula y a la fuerza centrífuga; inversamente proporcional a la viscosidad del líquido). Las partículas finas (p. ej., < 10 μm) requieren velocidades de rotación más altas o tiempos de retención más largos para sedimentarse en la pared interna del tambor.
2. Flujo axial: movimiento laminar de la fase líquida
Dirección de flujo: La fase líquida (incluidas las partículas no sedimentadas arrastradas) fluye desde el extremo de alimentación (sección cilíndrica del tambor) hasta el extremo de desbordamiento (extremo de la sección cilíndrica) bajo una diferencia de presión axial, formando un flujo laminar axial (número de Reynolds \(Re < 2000\) para evitar que la turbulencia altere la eficiencia de separación).
Distribución de la velocidad: La velocidad axial de la fase líquida \(v_z\) presenta una distribución parabólica radial (la más rápida en el centro, acercándose a 0 cerca de la pared interior del tambor), estrechamente relacionada con el espesor del anillo de líquido en el tambor (determinado por la altura del vertedero de rebose). Cuanto más delgado sea el anillo de líquido (menor altura del vertedero de rebose), mayor será la velocidad axial de flujo de la fase líquida y menor el tiempo de retención.
3. Superposición de trayectorias de movimiento
La trayectoria de movimiento real de las partículas individuales es la síntesis vectorial de la velocidad de sedimentación radial \(v_r\) y la velocidad de flujo axial \(v_z\), que se extiende en espiral hacia el extremo del tambor:
Si las partículas completan la sedimentación radial antes de llegar al puerto de desbordamiento (\(v_r \cdot t \geq \Delta r\), donde t es el tiempo de retención de la fase líquida y \(\Delta r\) es la distancia radial desde la posición inicial de la partícula hasta la pared interna del tambor), quedan retenidas en la pared interna del tambor como fase sólida;
Si la sedimentación es incompleta, se descargan con la fase líquida desde el puerto de desbordamiento como "residuos de desbordamiento".
III. Etapa de descarga de sólidos: transporte axial impulsado por la diferencia de velocidad del tornillo
1. Movimiento diferencial del tornillo y el tambor
El transportador de tornillo gira en la misma dirección que el tambor, pero la velocidad del tornillo \(n_{\text{tornillo}}\) es ligeramente menor que la velocidad del tambor \(n_{\text{tambor}}\), con una diferencia de velocidad \(\Delta n = n_{\text{tambor}} - n_{\text{tornillo}} = 5–30 \, \text{rpm}\).
La diferencia de velocidad crea una velocidad angular relativa entre las palas del tornillo y la capa de sedimento en la pared interna del tambor, generando una fuerza de empuje axial (similar al principio de una "bomba de tornillo").
2. Movimiento axial de la fase sólida
Las partículas sólidas depositadas en la pared interior del tambor se agregan formando una capa de sedimento, que se mueve a lo largo del eje del tambor hacia el puerto cónico de descarga de escoria mediante las aspas del tornillo:
Sección Cilíndrica: Inicialmente el sedimento se acumula y el tornillo comienza a empujar;
Sección cónica: El diámetro interior del tambor disminuye gradualmente y el sedimento se exprime y deshidrata aún más (llamada "sección de secado"), para finalmente descargarse como un sólido con bajo contenido de humedad.
Control del tiempo de retención: Una diferencia de velocidad menor da como resultado una velocidad de empuje del tornillo más lenta, un mayor tiempo de retención de la fase sólida en el tambor y una deshidratación más completa (por ejemplo, en escenarios de deshidratación de lodos); una diferencia de velocidad mayor permite una descarga de escoria más rápida, adecuada para materiales con alto contenido de sólidos (por ejemplo, separación de lodos minerales).
IV. Etapa de desbordamiento de líquido: descarga axial de la fase líquida ligera
1. Formación y estratificación del anillo líquido
La fase líquida separada (fase líquida ligera o líquido claro) forma un anillo líquido interior en la región central del tambor, cuyo espesor está determinado por la altura del vertedero de desbordamiento:
Cuanto más alto sea el vertedero de desbordamiento, más grueso será el anillo líquido (mayor volumen de fase líquida en el tambor), mayor será el tiempo de retención de la fase líquida y mayor la precisión de separación;
Cuanto más bajo sea el vertedero de desbordamiento, más delgado será el anillo líquido, mayor será el rendimiento pero menor la precisión de separación.
2. Flujo axial y descarga de la fase líquida
La fase líquida en el anillo líquido fluye axialmente hacia el puerto de rebose en estado laminar y se descarga continuamente a través del vertedero de rebose:
En la separación sólido-líquido, se descarga un líquido claro (por ejemplo, el efluente después del tratamiento de aguas residuales);
En la separación líquido-líquido, si hay dos fases líquidas (por ejemplo, estratificación aceite-agua), la fase líquida ligera (aceite) se descarga desde el puerto de desbordamiento interno y la fase líquida pesada (agua) se descarga desde el puerto de desbordamiento externo (lo que requiere un diseño de vertedero de desbordamiento doble).
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