Principio de funcionamiento de una centrífuga decantadora

I. Procesos centrales del movimiento material:

1. Alimentación y establecimiento del campo centrífugo

Entrada de material: Los materiales a separar (como suspensiones o emulsiones) se introducen de forma continua en forma axial a través del tubo de alimentación hasta el centro del tambor (una cavidad cilíndrica horizontal) que gira a alta velocidad.

Función del campo centrífugo: El tambor gira a alta velocidad (1500–4500 rpm), generando fuerza centrífuga (factor de separación Kc=gω2r, típicamente 1500–5000), cuya intensidad puede alcanzar miles de veces la de la gravedad. Bajo la acción de la fuerza centrífuga, las partículas más densas (fase sólida o fase líquida pesada) se depositan hacia la pared interna del tambor, mientras que las fases líquidas menos densas (fases líquidas ligeras) se agrupan hacia el centro del tambor, formando una estratificación radial.

2. Sedimentación de sólidos y transporte de tornillo

Proceso de sedimentación: Las partículas sólidas superan la resistencia de la fase líquida bajo la fuerza centrífuga, desplazándose hacia la pared interna del tambor y depositándose en ella para formar una capa de sedimento (como lodos o partículas cristalinas). La velocidad de sedimentación de las partículas está relacionada con la fuerza centrífuga, el tamaño de las partículas, la diferencia de densidad y la viscosidad del líquido (aplicación extendida de la ley de Stokes).

Movimiento diferencial del tornillo:

El transportador de tornillo gira en la misma dirección que el tambor pero a una velocidad diferente (diferencia de velocidad), y el tornillo normalmente gira un poco más lento que el tambor.

La diferencia de velocidad crea un movimiento relativo entre el tornillo y la capa de sedimentos en la pared interior del tambor. Las palas del tornillo empujan los sedimentos a lo largo del eje del tambor hacia el puerto de descarga de escoria del extremo cónico (la dirección de empuje coincide con el eje del tambor).

Control del tiempo de retención: Una diferencia de velocidad menor significa un mayor tiempo de retención de sólidos en el tambor, lo que conduce a una separación más completa; una diferencia de velocidad mayor aumenta la velocidad de descarga de escoria, adecuado para materiales con alto contenido de sólidos.

3. Desbordamiento y descarga de líquido

Separación de la fase líquida ligera: La fase líquida separada (líquido ligero o líquido transparente) forma un anillo líquido interno, que fluye axialmente a lo largo del tambor hacia el vertedero de desbordamiento del extremo cilíndrico y se descarga continuamente a través del vertedero de desbordamiento (con altura ajustable).

Control del espesor de la capa de líquido: La altura del vertedero de rebose determina el espesor del anillo de líquido (es decir, el volumen de líquido en el tambor). Un espesor menor implica un menor tiempo de retención del líquido en el tambor, lo que favorece una separación rápida; un espesor mayor permite una separación más fina.

II. Análisis de los mecanismos físicos clave

1. Fuerza impulsora de la sedimentación centrífuga

Factor de separación Kc: Como reflejo directo de la intensidad de la fuerza centrífuga, un Kc mayor produce una sedimentación más rápida de las partículas. Por ejemplo:

Al procesar partículas finas (por ejemplo, 1–10 μm) o materiales con pequeñas diferencias de densidad (por ejemplo, mezclas de aceite y agua), es necesario aumentar la velocidad de rotación para mejorar Kc.

Se necesita una mayor fuerza centrífuga para superar la resistencia del fluido en el caso de materiales de alta viscosidad (como lodos de polímeros).

2. Función de la diferencia de velocidad del tornillo

Fuente de energía de descarga de escoria: El movimiento relativo causado por la diferencia de velocidad permite que las hojas del tornillo ejerzan un empuje axial sobre la capa de sedimento, superando la fricción entre el sedimento y la pared interna del tambor (relacionada con la viscosidad del material y la compactación de sólidos).

Par y consumo de energía: Una mayor diferencia de velocidad aumenta la velocidad de empuje del tornillo, pero el par y el consumo de energía también aumentan; una diferencia de velocidad excesivamente pequeña puede provocar la acumulación de sedimentos e incluso el bloqueo del tambor.

3. Características hidrodinámicas

Flujo laminar: La fase líquida en el tambor fluye en un estado laminar (número de Reynolds bajo), lo que reduce la interferencia de la turbulencia en la eficiencia de separación.

Distribución de la velocidad axial: La velocidad del flujo axial de la fase líquida en el tambor debe coincidir con la velocidad de sedimentación del sólido para evitar que las partículas no sedimentadas sean arrastradas y descargadas por la fase líquida (es decir, el fenómeno de "cortocircuito").

III. Diferencias fundamentales en distintos escenarios de separación

1. Separación sólido-líquido (escenario de fase líquida única)

Proceso típico:

La fase sólida (como partículas de lodo) se deposita en la pared interior del tambor para formar una capa de sedimento;

El tornillo empuja el sedimento hacia el puerto de descarga de escoria del extremo cónico y se descarga la fase sólida deshidratada (con contenido de humedad reducido);

El líquido claro (fase líquida) se descarga a través del puerto de desbordamiento.

Control Clave: Equilibrar el rendimiento y la eficiencia de separación mediante el ajuste de la velocidad de rotación (que afecta la eficiencia de sedimentación) y la diferencia de velocidad (que afecta la velocidad de descarga de escoria). Por ejemplo, para lodos con alto contenido de sólidos, es necesario reducir la velocidad de rotación y aumentar la diferencia de velocidad para evitar el bloqueo del tambor.

2. Separación líquido-líquido (dos fases líquidas, por ejemplo, separación aceite-agua)

Mecanismo de estratificación: Debido a las diferencias de densidad (ρlíquido pesado > ρlíquido ligero), dos líquidos inmiscibles forman anillos líquidos internos y externos bajo la fuerza centrífuga:

La fase líquida pesada (como las aguas residuales) está cerca de la pared interna del tambor y la fase líquida ligera (como el aceite) está cerca del centro.

Diseño de doble puerto de desbordamiento: La fase líquida pesada se descarga a través del puerto de desbordamiento externo y la fase líquida ligera a través del puerto de desbordamiento interno. La precisión de la separación depende de la diferencia de densidad entre las dos fases líquidas y de la velocidad de rotación (una menor diferencia de densidad requiere una mayor velocidad de rotación).

3. Separación trifásica líquido-sólido-líquido (por ejemplo, producción de biodiésel)

Estratificación trifásica:

La fase más pesada (fase sólida, como los residuos del catalizador) se deposita en la pared interior del tambor y es descargada por el tornillo;

La fase intermedia (fase líquida pesada, como el glicerol) y la fase ligera (fase líquida ligera, como el éster metílico) forman dos anillos líquidos, descargados a través de diferentes puertos de desbordamiento.

Optimización estructural: se requieren dispositivos de recolección de fase líquida intermedia o ajustes en las posiciones de los vertederos de desbordamiento para garantizar una separación trifásica completa y evitar la mezcla.

IV. Parámetros operativos clave que influyen en el principio

Velocidad de rotación (factor de separación): determina la intensidad de la fuerza centrífuga, lo que afecta directamente la velocidad de sedimentación de partículas y la claridad del líquido.

Diferencia de velocidad: controla el tiempo de retención de la fase sólida y la eficiencia de descarga de escoria, lo que requiere un ajuste dinámico basado en la viscosidad del material y el contenido de sólidos.

Velocidad de alimentación: Una velocidad de alimentación excesivamente alta da como resultado un tiempo de retención de líquido insuficiente, lo que provoca que las partículas no sedimentadas se descarguen con el líquido claro y reduce la eficiencia de separación.

Asistencia floculante: para materiales de partículas finas (por ejemplo, <1 μm), se deben agregar floculantes para promover la aglomeración de partículas, aumentar el tamaño efectivo de partículas y mejorar la velocidad de sedimentación.

V. Casos típicos de aplicación de principios

Tratamiento de aguas residuales: Los lodos con un 95 % de humedad se sedimentan mediante centrifugación, y el tornillo extrae tortas de lodo con un 75 %–85 % de humedad. El líquido transparente se reutiliza o se somete a un tratamiento posterior.

Deshidratación de Petróleo Crudo: Utilizando las diferencias de densidad entre el petróleo, el agua y la sal (agua + sal > petróleo), la alta velocidad de rotación (por ejemplo, 3000 rpm) hace que la fase de agua se asiente en la pared interna del tambor, mientras que la fase de petróleo se desborda desde el centro, logrando la desalinización y la deshidratación.

Gracias a los principios mencionados, la centrífuga decantadora logra una separación multifásica continua y eficiente. Su principal ventaja reside en integrar la sedimentación centrífuga y el transporte mecánico en un solo dispositivo, equilibrando el rendimiento y la precisión de la separación, con amplias aplicaciones en la recuperación industrial de sólidos y líquidos y la circulación de recursos.

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