Shenzhou Machinery - Fabricant professionnel de centrifugeuses industrielles et fournisseur de séparateurs centrifuges en Chine
Principe de fonctionnement d'une centrifugeuse à décanter
Alimentation en matières premières : Les matières à séparer (telles que des suspensions ou des émulsions) sont alimentées en continu axialement par le tuyau d'alimentation 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, typiquement de 1 500 à 5 000) dont l’intensité peut atteindre des milliers de fois celle de la gravité. Sous l’effet de cette force centrifuge, les particules les plus denses (phase solide ou phase liquide dense) se déposent contre la paroi interne du tambour, tandis que les phases liquides moins denses (phases liquides légères) se rassemblent vers le centre, formant une stratification radiale.
2. Sédimentation solide et transport par vis
Processus de sédimentation : Sous l’effet de la force centrifuge, les particules solides surmontent la résistance de la phase liquide et se déposent sur la paroi interne du tambour, formant ainsi une couche de sédiment (boues ou particules cristallines, par exemple). La vitesse de sédimentation dépend de la force centrifuge, de la taille des particules, de la différence de densité et de 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 interne du tambour. Les pales de la vis poussent les sédiments le long de l'axe du tambour vers l'orifice d'évacuation des scories situé à l'extrémité conique (la direction de poussée est alignée avec l'axe du tambour).
Contrôle du temps de rétention : une différence de vitesse plus faible signifie un temps de rétention plus long des solides dans le tambour, ce qui permet une séparation plus complète ; une différence de vitesse plus importante augmente la vitesse d’évacuation des scories, ce qui convient aux matériaux à forte teneur en solides.
3. Débordement et évacuation des liquides
Séparation de la phase liquide légère : La phase liquide séparée (liquide léger ou liquide clair) forme un anneau liquide intérieur, s'écoulant axialement le long du tambour vers le déversoir de trop-plein à l'extrémité cylindrique et se déchargeant en continu par le déversoir de trop-plein (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 faible épaisseur implique un temps de séjour plus court du liquide dans le tambour, ce qui convient à 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 du fluide pour les matériaux à haute viscosité (tels que les suspensions de polymères).
2. Rôle de la différence de vitesse de la vis
Source de puissance pour l'évacuation des scories : Le mouvement relatif provoqué par la différence de vitesse permet aux pales de la vis d'exercer une poussée axiale sur la couche de sédiments, surmontant le frottement entre les sédiments et la paroi intérieure du tambour (lié à la viscosité du matériau et au compactage du 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 entraîner une accumulation de sédiments et même un blocage du tambour.
3. Caractéristiques hydrodynamiques
Écoulement laminaire : La phase liquide dans le tambour s'écoule en régime laminaire (faible nombre de Reynolds), réduisant ainsi l'interférence des turbulences sur l'efficacité de la séparation.
Distribution de la vitesse axiale : La vitesse d'écoulement axial de la phase liquide dans le tambour doit correspondre au taux de sédimentation des solides afin d'éviter que les particules non sédimentées ne soient entraînées et évacuées par la phase liquide (c'est-à-dire le phénomène de « court-circuit »).
III. Différences principales dans différents scénarios de séparation
1. Séparation solide-liquide (scénario à phase liquide unique)
Processus typique :
La phase solide (telle que des particules de boue) se dépose sur la paroi intérieure du tambour pour former une couche de sédiments ;
La vis pousse les sédiments vers l'orifice d'évacuation des scories à l'extrémité conique, et la phase solide déshydratée (à 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 (qui influe sur l’efficacité de sédimentation) et le différentiel de vitesse (qui influe sur la vitesse d’évacuation des boues). Par exemple, pour les boues à forte teneur en matières solides, il est nécessaire de réduire la vitesse de rotation et d’augmenter le différentiel de vitesse afin d’éviter le colmatage 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 dense 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 plus faible différence de densité requiert une vitesse de rotation plus élevée).
3. Séparation triphasique liquide-solide-liquide (ex. : production de biodiesel)
Stratification en trois phases :
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, comme le glycérol) et la phase légère (phase liquide légère, comme 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 de la position du déversoir sont nécessaires pour assurer une séparation triphasique complète et éviter le mélange.
IV. Paramètres opérationnels clés 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 d’évacuation des scories, nécessitant un ajustement dynamique en fonction de la viscosité du matériau et de sa teneur en solides.
Débit d'alimentation : Un débit d'alimentation trop élevé entraîne un temps de rétention du liquide insuffisant, ce qui provoque le rejet de particules non sédimentées avec le liquide clair et réduit l'efficacité de la séparation.
Assistance par floculation : 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 sédimentées par centrifugation, et la vis sans fin extrait les résidus dont l’humidité se situe entre 75 % et 85 %. Le liquide clair est réutilisé ou traité ultérieurement.
Déshydratation du pétrole brut : exploitant les différences de densité entre l'huile, l'eau et le sel (eau + sel > huile), une vitesse de rotation élevée (par exemple, 3000 tr/min) provoque le dépôt de la phase aqueuse sur la paroi intérieure du tambour, tandis que la phase huileuse déborde du centre, permettant ainsi le dessalage et la déshydratation.
Grâce aux principes énoncés ci-dessus, la centrifugeuse décanteuse assure une séparation multiphase continue et efficace. Son principal atout réside dans l'intégration de la sédimentation centrifuge et du transport mécanique au sein d'un seul appareil, offrant un équilibre optimal entre débit et précision de séparation, et trouvant de nombreuses applications dans la récupération industrielle de solides et de liquides ainsi que dans la gestion des ressources.
