Quel est le processus de déplacement des matières dans une centrifugeuse décanteuse ?

I. Phase d'alimentation : entrée axiale et accélération circonférentielle

Chemin d'entrée des matériaux

Les matériaux à séparer (tels que les suspensions) pénètrent à l'intérieur du tambour dans la direction axiale (axe du tambour) par le tuyau d'alimentation central, avec une faible vitesse initiale (proche d'un écoulement laminaire).

Le tambour tourne à grande vitesse (1500–4500 tr/min), entraînant les matériaux internes à acquérir rapidement une vitesse circonférentielle et à tourner de manière synchrone avec le tambour (semblable à un état de « rotation rigide »).

Initialisation du champ centrifuge

Dès leur entrée dans le tambour, les matériaux sont immédiatement soumis à une force centrifuge (dirigée radialement vers la paroi extérieure du tambour). Les particules les plus denses (phase solide ou phase liquide dense) 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 en phase solide vers la paroi intérieure du tambour, surmontant la résistance visqueuse de la phase liquide (résistance de Stokes).

Vitesse de sédimentation : La 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 interne 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 la turbulence ne perturbe l'efficacité de la séparation).

Distribution des vitesses : La vitesse axiale de la phase liquide \(v_z\) présente une distribution parabolique radiale (maximale au centre, tendant vers 0 près de la paroi interne 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 mince (déversoir plus faible), plus la vitesse d’écoulement axial de la phase liquide est élevée et plus le temps de rétention est court.

3. Superposition des trajectoires de mouvement

La trajectoire réelle du mouvement des particules individuelles est la synthèse vectorielle de la vitesse de sédimentation radiale \(v_r\) et de la vitesse d'écoulement axiale \(v_z\), 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 de la position initiale de la particule à la paroi intérieure du tambour), elles sont retenues sur la paroi intérieure du tambour en tant que phase solide ;

Si la sédimentation est incomplète, les résidus sont évacués avec la phase liquide par l'orifice de trop-plein sous forme de « résidus de trop-plein ».

III. Étape d'évacuation des solides : 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 d'évacuation conique des scories par les pales de la vis sans fin :

Section cylindrique : les sédiments s'accumulent initialement, puis la vis commence à pousser ;

Section conique : Le diamètre intérieur du tambour diminue progressivement, et le sédiment est davantage comprimé et déshydraté (appelée « section de séchage »), pour finalement être évacué sous forme de solide à faible teneur en humidité.

Contrôle du temps de rétention : une différence de vitesse plus faible 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 importante 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 : évacuation 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 intérieur dans la région centrale du tambour, dont l'épaisseur est déterminée par la hauteur du déversoir :

Plus le déversoir est haut, 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 mince, plus le débit est important mais la précision de séparation est moindre.

2. Écoulement axial et évacuation de la phase liquide

La phase liquide contenue dans l'anneau liquide s'écoule axialement vers l'orifice de trop-plein en régime laminaire et est évacuée en continu par le déversoir de trop-plein :

Dans la séparation solide-liquide, le liquide clair (par exemple, l'effluent après traitement des eaux usées) est rejeté ;

Dans la séparation liquide-liquide, s'il existe deux phases liquides (par exemple, stratification huile-eau), la phase liquide légère (huile) est évacuée par l'orifice de trop-plein intérieur et la phase liquide lourde (eau) est évacuée par l'orifice de trop-plein extérieur (nécessitant une conception de déversoir à double trop-plein).