principe de fonctionnement d'une centrifugeuse décanteuse

I. Processus fondamentaux du mouvement des matériaux :

1. Alimentation et implantation centrifuge du champ

Entrée de matière : Les matières à séparer (telles que les suspensions ou les émulsions) sont alimentées en continu axialement par le tuyau d'alimentation jusqu'au centre du tambour (une cavité cylindrique horizontale) tournant à grande vitesse.

Fonction du champ centrifuge : Le tambour tourne à grande vitesse (1 500 à 4 500 tr/min), générant une force centrifuge (facteur de séparation Kc = gω2r, généralement de 1 500 à 5 000), dont l'intensité peut atteindre des milliers de fois celle de la gravité. Sous l'effet de la force centrifuge, les particules les plus denses (phase solide ou phase liquide lourde) se déposent vers la paroi interne du tambour, tandis que les phases liquides moins denses (phases liquides légères) se rassemblent vers le centre du tambour, formant une stratification radiale.

2. Sédimentation solide et transport à vis

Processus de sédimentation : les particules solides surmontent la résistance de la phase liquide sous l'effet de la force centrifuge, se déplacent vers la paroi interne du tambour et se déposent sur celle-ci pour former une couche sédimentaire (comme des boues ou des particules cristallines). La vitesse de sédimentation des particules est liée à la force centrifuge, à la taille des particules, à la différence de densité et à la viscosité du liquide (application étendue de la loi de Stokes).

Mouvement différentiel de la vis :

Le convoyeur à vis tourne dans le même sens que le tambour mais à une vitesse différente (différence de vitesse), la vis tournant généralement légèrement plus lentement que le tambour.

La différence de vitesse crée un mouvement relatif entre la vis et la couche de sédiments sur la paroi intérieure du tambour. Les pales de la vis poussent les sédiments le long de l'axe du tambour vers l'orifice d'évacuation des scories à l'extrémité conique (la direction de poussée est cohérente avec l'axe du tambour).

Contrôle du temps de rétention : une différence de vitesse plus petite signifie un temps de rétention plus long des solides dans le tambour, conduisant à une séparation plus complète ; une différence de vitesse plus grande augmente la vitesse de décharge des scories, adaptée aux matériaux à forte teneur en solides.

3. Débordement et évacuation du liquide

Séparation de la phase liquide légère : La phase liquide séparée (liquide léger ou liquide clair) forme un anneau liquide interne, s'écoulant axialement le long du tambour vers le déversoir de débordement d'extrémité cylindrique et se déchargeant en continu à travers le déversoir de débordement (à hauteur réglable).

Contrôle de l'épaisseur de la couche liquide : La hauteur du déversoir détermine l'épaisseur de l'anneau liquide (c'est-à-dire le volume de liquide dans le tambour). Une épaisseur plus faible signifie un temps de rétention plus court du liquide dans le tambour, ce qui permet une séparation rapide ; une épaisseur plus importante permet une séparation plus fine.

II. Analyse des mécanismes physiques clés

1. Force motrice de la sédimentation centrifuge

Facteur de séparation Kc : Reflétant directement l'intensité de la force centrifuge, un Kc plus élevé entraîne une sédimentation plus rapide des particules. Par exemple :

Lors du traitement de particules fines (par exemple, 1 à 10 μm) ou de matériaux présentant de faibles différences de densité (par exemple, des mélanges huile-eau), il est nécessaire d'augmenter la vitesse de rotation pour améliorer Kc.

Une force centrifuge plus élevée est nécessaire pour surmonter la résistance des fluides pour les matériaux à haute viscosité (tels que les boues polymères).

2. Rôle de la différence de vitesse de vis

Source de puissance de décharge des scories : Le mouvement relatif provoqué par la différence de vitesse permet aux lames de vis d'exercer une poussée axiale sur la couche de sédiments, surmontant ainsi la friction entre les sédiments et la paroi intérieure du tambour (liée à la viscosité du matériau et au compactage solide).

Couple et consommation d'énergie : Une différence de vitesse plus importante augmente la vitesse de poussée de la vis, mais le couple et la consommation d'énergie augmentent également ; une différence de vitesse trop faible peut provoquer une accumulation de sédiments et même un blocage du tambour.

3. Caractéristiques hydrodynamiques

Écoulement laminaire : La phase liquide dans le tambour s'écoule dans un état laminaire (faible nombre de Reynolds), réduisant ainsi l'interférence de la turbulence sur l'efficacité de la séparation.

Répartition de la vitesse axiale : La vitesse d'écoulement axial de la phase liquide dans le tambour doit correspondre au taux de sédimentation solide pour éviter que les particules non sédimentées soient entraînées et évacuées par la phase liquide (c'est-à-dire le phénomène de « court-circuit »).

III. Principales différences entre les différents scénarios de séparation

1. Séparation solide-liquide (scénario de phase liquide unique)

Processus typique :

La phase solide (comme les particules de boues) se dépose sur la paroi intérieure du tambour pour former une couche de sédiments ;

La vis pousse les sédiments vers l'orifice de décharge des scories à extrémité conique, et la phase solide déshydratée (avec une teneur en humidité réduite) est évacuée ;

Le liquide clair (phase liquide) est évacué par l'orifice de trop-plein.

Contrôle clé : Équilibrer le débit et l'efficacité de séparation en ajustant la vitesse de rotation (affectant l'efficacité de la sédimentation) et la différence de vitesse (affectant la vitesse d'évacuation des scories). Par exemple, les boues à forte teneur en solides nécessitent une réduction de la vitesse de rotation et une augmentation de la différence de vitesse pour éviter le blocage du tambour.

2. Séparation liquide-liquide (deux phases liquides, par exemple, séparation huile-eau)

Mécanisme de stratification : En raison des différences de densité (ρliquide lourd>ρliquide léger), deux liquides non miscibles forment des anneaux liquides intérieur et extérieur sous l'effet de la force centrifuge :

La phase liquide lourde (comme les eaux usées) se trouve près de la paroi intérieure du tambour, et la phase liquide légère (comme l'huile) se trouve près du centre.

Conception à double orifice de trop-plein : la phase liquide lourde est évacuée par l'orifice de trop-plein extérieur et la phase liquide légère par l'orifice de trop-plein intérieur. La précision de la séparation dépend de la différence de densité entre les deux phases liquides et de la vitesse de rotation (une différence de densité faible nécessite une vitesse de rotation plus élevée).

3. Séparation triphasée liquide-solide-liquide (par exemple, production de biodiesel)

Stratification triphasée :

La phase la plus lourde (phase solide, comme les résidus de catalyseur) se dépose sur la paroi intérieure du tambour et est évacuée par la vis ;

La phase intermédiaire (phase liquide lourde, telle que le glycérol) et la phase légère (phase liquide légère, telle que l'ester méthylique) forment deux anneaux liquides, évacués par différents orifices de trop-plein.

Optimisation structurelle : des dispositifs de collecte de phase liquide intermédiaire ou des ajustements des positions du déversoir de débordement sont nécessaires pour assurer une séparation triphasée complète et éviter le mélange.

IV. Principaux paramètres opérationnels influençant le principe

Vitesse de rotation (facteur de séparation) : détermine l'intensité de la force centrifuge, affectant directement le taux de sédimentation des particules et la clarté du liquide.

Différence de vitesse : contrôle le temps de rétention de la phase solide et l'efficacité de décharge des scories, nécessitant un ajustement dynamique en fonction de la viscosité du matériau et de la teneur en solides.

Débit d'alimentation : une vitesse d'alimentation excessivement élevée entraîne un temps de rétention du liquide insuffisant, ce qui entraîne le rejet de particules non sédimentées avec du liquide clair et réduit l'efficacité de la séparation.

Assistance floculante : pour les matériaux à particules fines (par exemple, < 1 μm), des floculants doivent être ajoutés pour favoriser l'agglomération des particules, augmenter la taille effective des particules et améliorer la vitesse de sédimentation.

V. Cas typiques d'application du principe

Traitement des eaux usées : Les boues à 95 % d’humidité sont décantées par centrifugation, puis la vis expulse les galettes de boues à 75 %–85 % d’humidité. Le liquide clair est réutilisé ou traité ultérieurement.

Déshydratation du pétrole brut : en utilisant les différences de densité entre le pétrole, l'eau et le sel (eau + sel > pétrole), une vitesse de rotation élevée (par exemple, 3 000 tr/min) provoque la sédimentation de la phase aqueuse sur la paroi intérieure du tambour, tandis que la phase pétrolière déborde du centre, réalisant le dessalage et la déshydratation.

Grâce aux principes ci-dessus, le décanteur centrifuge permet une séparation multiphasique continue et efficace. Son principal avantage réside dans l'intégration de la sédimentation centrifuge et du transport mécanique dans un seul appareil, alliant débit et précision de séparation, et offrant de nombreuses applications dans les domaines de la récupération solide-liquide industrielle et de la circulation des ressources.

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