デカンター遠心分離機における物質の移動プロセスとは何ですか?

I. 供給段階：軸方向の入口と周方向の加速

材料入力パス

分離される物質（懸濁液など）は、低い初期速度（層流に近い）で、中央の供給パイプを通って軸方向（ドラムの軸）に沿ってドラムの内部に入ります。

ドラムは高速（1500～4500 rpm）で回転し、内部の材料を急速に周速度を獲得させ、ドラムと同期して回転します（「固定回転」状態に似ています）。

遠心力場の初期化

ドラムに入ると、材料はすぐに遠心力（ドラムの外壁に向かって放射状に作用する）を受けます。密度の高い粒子（固相または重液相）はドラムの内壁に向かって放射状に移動し始め、密度の低い液相（軽液相）はドラムの中心に向かって集まり、予備的な放射状成層（外層に固相、内層に液相）を形成します。

II. 遠心分離段階：放射状沈降と軸流の結合

1. 放射状沈降：粒子の遠心運動

駆動力: 遠心力 \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (ここで、m は粒子の質量、\(\omega\) はドラムの角速度、r は粒子の半径方向の位置) により、固相粒子はドラムの内壁に向かって移動し、液相の粘性抵抗 (ストークス抵抗) を克服します。

沈降速度：粒子の半径方向沈降速度\(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\)（密度差、粒子径の2乗、および遠心力に比例し、液体の粘度に反比例する）。微粒子（例：10μm未満）をドラムの内壁に沈降させるには、より高い回転速度またはより長い滞留時間が必要となる。

2. 軸流：液相の層流運動

流れの方向: 液相 (混入した沈降していない粒子を含む) は、軸方向の圧力差により、供給端 (ドラムの円筒形部分) からオーバーフロー端 (円筒形部分の端) へと流れ、軸方向の層流を形成します (分離効率を妨げる乱流を回避するため、レイノルズ数は Re < 2000)。

速度分布：液相の軸方向速度 \(v_z\) は、半径方向に沿って放物線状の分布を示します（中心部で最も速く、ドラム内壁付近で0に近づきます）。これは、ドラム内の液体リングの厚さ（オーバーフロー堰の高さによって決定されます）と密接に関連しています。液体リングが薄いほど（オーバーフロー堰の高さが低いほど）、液相の軸方向流速は速くなり、滞留時間は短くなります。

3. 運動軌跡の重ね合わせ

個々の粒子の実際の運動軌跡は、ドラムの端に向かって螺旋状に伸びる、半径方向の沈降速度 \(v_r\) と軸流速度 \(v_z\) のベクトル合成です。

粒子がオーバーフローポートに到達する前に放射状沈降を完了した場合（\(v_r \cdot t \geq \Delta r\）、ここでtは液相保持時間、\(\Delta r\)は粒子の初期位置からドラムの内壁までの放射状距離）、粒子はドラムの内壁に固相として保持されます。

沈殿が不完全な場合は、「オーバーフロー残渣」として液相とともにオーバーフロー口から排出されます。

III. 固形物排出段階：スクリュー速度差による軸方向輸送

1. スクリューとドラムの差動運動

スクリューコンベアはドラムと同じ方向に回転しますが、スクリュー速度 \(n_{\text{screw}}\) はドラム速度 \(n_{\text{drum}}\) よりわずかに遅く、速度差 \(\Delta n = n_{\text{drum}} - n_{\text{screw}} = 5–30 \, \text{rpm}\) となります。

速度差により、スクリューブレードとドラムの内壁の堆積層との間に相対的な角速度が生じ、軸方向の押す力が発生します（「スクリューポンプ」の原理と同様）。

2. 固相の軸方向移動

ドラムの内壁に沈殿した固体粒子は堆積層に集まり、スクリューブレードによってドラムの軸に沿って円錐形のスラグ排出口に向かって移動します。

円筒部: 最初に堆積物が蓄積し、スクリューが押し始めます。

円錐部：ドラムの内径が徐々に小さくなり、沈殿物はさらに圧搾され、脱水され（「乾燥部」と呼ばれる）、最終的に水分含有量の低い固形物として排出されます。

保持時間制御: 速度差が小さいほど、スクリューの押し出し速度が遅くなり、ドラム内の固相の保持時間が長くなり、より徹底した脱水が可能になります (例: 汚泥脱水シナリオ)。速度差が大きいほど、スラグの排出が速くなり、固形分含有量の多い材料に適しています (例: 鉱物スラリーの分離)。

IV. 液体オーバーフロー段階：軽質液体相の軸方向排出

1. 液体リングの形成と成層

分離された液相（軽い液相または透明液体）はドラムの中央領域に内部液体リングを形成し、その厚さはオーバーフロー堰の高さによって決まります。

オーバーフロー堰が高くなるほど、液体リングが厚くなり（ドラム内の液相の容積が大きくなり）、液相の保持時間が長くなり、分離精度が高くなります。

オーバーフロー堰が低いほど、液体リングは薄くなり、スループットは大きくなりますが、分離精度は低くなります。

2. 液相の軸方向の流れと排出

液体リング内の液相は層流状態でオーバーフローポートに向かって軸方向に流れ、オーバーフロー堰から連続的に排出されます。

固液分離では、透明な液体（例：廃水処理後の排出物）が排出されます。

液液分離において、2 つの液相（例：油水層）がある場合、軽い液相（油）は内側のオーバーフロー ポートから排出され、重い液相（水）は外側のオーバーフロー ポートから排出されます（二重オーバーフロー堰設計が必要）。

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