Shenzhou Machinery - Professional Industrial Centrifuge Machine Manufacturer and Centrifugal Separators Supplier in China
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Shenzhou Machinery - Professional Industrial Centrifuge Machine Manufacturer and Centrifugal Separators Supplier in China
Le mouvement des matériaux dans un décanteur centrifuge est un processus dynamique combinant sédimentation centrifuge, stratification radiale et transport axial, impliquant des mouvements complexes dans l'espace tridimensionnel (radial, axial et circonférentiel). La description suivante se déroule à partir de quatre étapes clés : alimentation, séparation centrifuge, évacuation des solides et débordement du liquide, en analysant les lois du mouvement en combinaison avec les caractéristiques de la mécanique des fluides.
I. Étape d'alimentation : entrée axiale et accélération circonférentielle
Chemin d'entrée du matériau
Les matériaux à séparer (tels que les suspensions) pénètrent à l'intérieur du tambour selon la direction axiale (axe du tambour) à travers le tuyau d'alimentation central, avec une faible vitesse initiale (proche du flux laminaire).
Le tambour tourne à grande vitesse (1 500 à 4 500 tr/min), ce qui entraîne les matériaux internes à acquérir rapidement une vitesse circonférentielle et à tourner de manière synchrone avec le tambour (similaire à un état de « rotation rigide »).
Initialisation du champ centrifuge
Dès leur entrée dans le tambour, les matériaux sont immédiatement soumis à la force centrifuge (dirigée radialement vers la paroi extérieure du tambour). Les particules les plus denses (phase solide ou phase liquide lourde) commencent à migrer radialement vers la paroi intérieure du tambour, tandis que les phases liquides moins denses (phase liquide légère) se rassemblent vers le centre du tambour, formant une stratification radiale préliminaire (phase solide dans la couche extérieure, phase liquide dans la couche intérieure).
II. Étape de séparation centrifuge : couplage de la sédimentation radiale et de l'écoulement axial
1. Sédimentation radiale : mouvement centrifuge des particules
Force motrice : La force centrifuge \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (où m est la masse de la particule, \(\omega\) est la vitesse angulaire du tambour et r est la position radiale de la particule) provoque le déplacement des particules de la phase solide vers la paroi intérieure du tambour, surmontant la résistance visqueuse de la phase liquide (résistance de Stokes).
Vitesse de sédimentation : vitesse de sédimentation radiale des particules (\(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}) (proportionnelle à la différence de densité, au carré du diamètre des particules et à la force centrifuge ; inversement proportionnelle à la viscosité du liquide). Les particules fines (par exemple, < 10 µm) nécessitent des vitesses de rotation plus élevées ou des temps de rétention plus longs pour se déposer sur la paroi intérieure du tambour.
2. Écoulement axial : mouvement laminaire de la phase liquide
Sens d'écoulement : La phase liquide (y compris les particules non sédimentées entraînées) s'écoule de l'extrémité d'alimentation (section cylindrique du tambour) vers l'extrémité de débordement (extrémité de la section cylindrique) sous une différence de pression axiale, formant un écoulement laminaire axial (nombre de Reynolds \(Re < 2000\) pour éviter que les turbulences ne perturbent l'efficacité de la séparation).
Distribution des vitesses : La vitesse axiale de la phase liquide (v_z) présente une distribution parabolique le long de la direction radiale (la plus rapide au centre, approchant 0 près de la paroi intérieure du tambour), étroitement liée à l'épaisseur de l'anneau liquide dans le tambour (déterminée par la hauteur du déversoir). Plus l'anneau liquide est fin (hauteur du déversoir faible), plus la vitesse d'écoulement axial de la phase liquide est rapide et plus le temps de rétention est court.
3. Superposition des trajectoires de mouvement
La trajectoire de mouvement réelle des particules individuelles est la synthèse vectorielle de la vitesse de sédimentation radiale \(v_r\) et de la vitesse d'écoulement axial \(v_z\), s'étendant en spirale vers l'extrémité du tambour :
Si les particules terminent la sédimentation radiale avant d'atteindre l'orifice de trop-plein (\(v_r \cdot t \geq \Delta r\), où t est le temps de rétention de la phase liquide et \(\Delta r\) est la distance radiale entre la position initiale de la particule et la paroi intérieure du tambour), elles sont retenues sur la paroi intérieure du tambour sous forme de phase solide ;
Si la sédimentation est incomplète, ils sont évacués avec la phase liquide par l'orifice de trop-plein sous forme de « résidus de trop-plein ».
III. Étape de décharge solide : transport axial entraîné par la différence de vitesse de la vis
1. Mouvement différentiel de la vis et du tambour
Le convoyeur à vis tourne dans le même sens que le tambour, mais la vitesse de la vis \(n_{\text{vis}}\) est légèrement inférieure à la vitesse du tambour \(n_{\text{tambour}}\), avec une différence de vitesse \(\Delta n = n_{\text{tambour}} - n_{\text{vis}} = 5–30 \, \text{tr/min}\).
La différence de vitesse crée une vitesse angulaire relative entre les pales de la vis et la couche de sédiments sur la paroi intérieure du tambour, générant une force de poussée axiale (similaire au principe d'une « pompe à vis »).
2. Mouvement axial de la phase solide
Les particules solides déposées sur la paroi intérieure du tambour s'agrègent en une couche de sédiments, qui est déplacée le long de l'axe du tambour vers l'orifice de décharge conique des scories par les pales de la vis :
Section cylindrique : les sédiments s'accumulent initialement et la vis commence à pousser ;
Section conique : Le diamètre intérieur du tambour diminue progressivement et les sédiments sont encore comprimés et déshydratés (appelés « section de séchage »), finalement déchargés sous forme de solide à faible teneur en humidité.
Contrôle du temps de rétention : une différence de vitesse plus petite entraîne une vitesse de poussée de la vis plus lente, un temps de rétention plus long de la phase solide dans le tambour et une déshydratation plus complète (par exemple, dans les scénarios de déshydratation des boues) ; une différence de vitesse plus grande permet une évacuation plus rapide des scories, adaptée aux matériaux à forte teneur en solides (par exemple, la séparation des boues minérales).
IV. Étape de débordement du liquide : décharge axiale de la phase liquide légère
1. Formation et stratification de l'anneau liquide
La phase liquide séparée (phase liquide légère ou liquide clair) forme un anneau liquide interne dans la région centrale du tambour, dont l'épaisseur est déterminée par la hauteur du déversoir de trop-plein :
Plus le déversoir est élevé, plus l'anneau liquide est épais (volume de phase liquide plus important dans le tambour), plus le temps de rétention de la phase liquide est long et plus la précision de séparation est élevée ;
Plus le déversoir est bas, plus l'anneau liquide est fin, le débit est plus important mais la précision de séparation est moindre.
2. Écoulement axial et décharge de la phase liquide
La phase liquide dans l'anneau liquide s'écoule axialement vers l'orifice de trop-plein à l'état laminaire et est évacuée en continu à travers le déversoir de trop-plein :
Lors de la séparation solide-liquide, un liquide clair (par exemple, un effluent après traitement des eaux usées) est rejeté ;
Dans la séparation liquide-liquide, s'il y a deux phases liquides (par exemple, stratification huile-eau), la phase liquide légère (huile) est évacuée par l'orifice de trop-plein interne et la phase liquide lourde (eau) est évacuée par l'orifice de trop-plein externe (nécessitant une conception à double déversoir).
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