デカンター遠心分離機の動作原理

I. 物質移動の中核プロセス：

1. 給餌と遠心分離フィールドの構築

材料の投入: 分離する材料 (懸濁液やエマルジョンなど) は、供給パイプを通じて軸方向に連続的に供給され、高速で回転するドラム (水平円筒形の空洞) の中心に送り込まれます。

遠心場の作用：ドラムは高速（1500～4500 rpm）で回転し、遠心力（分離係数Kc=gω2r、通常1500～5000）を発生させます。その強さは重力の数千倍に達することもあります。遠心力の影響で、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沈降し、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、放射状の成層構造を形成します。

2. 固形物の沈殿とスクリュー輸送

沈降プロセス：固体粒子は遠心力によって液相の抵抗を克服し、ドラムの内壁に向かって移動して堆積し、沈殿層（スラッジや結晶粒子など）を形成します。粒子の沈降速度は、遠心力、粒子サイズ、密度差、および液体粘度（ストークスの法則の拡張適用）に関連しています。

スクリューの差動運動：

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、速度が異なり（速度差）、通常はスクリューがドラムよりもわずかに遅く回転します。

速度差により、スクリューとドラム内壁の堆積層との間に相対運動が生じます。スクリューブレードは堆積物をドラムの軸に沿って円錐状の端部スラグ排出口に向けて押し出します（押し出す方向はドラムの軸と一致します）。

保持時間制御: 速度差が小さいほど、ドラム内の固形物の保持時間が長くなり、より完全な分離が実現します。速度差が大きいほど、スラグ排出速度が上がり、固形分含有量の多い材料に適しています。

3. 液体の溢れと排出

軽い液相の分離: 分離された液相 (軽い液体または透明液体) は内部の液体リングを形成し、ドラムに沿って軸方向に流れて円筒形の端部のオーバーフロー堰に向かって流れ、オーバーフロー堰 (高さは調整可能) から連続的に排出されます。

液層厚さの制御：オーバーフロー堰の高さによって、液リングの厚さ（つまり、ドラム内の液体の体積）が決まります。厚さが薄いほど、ドラム内の液体の滞留時間が短くなり、迅速な分離に適しています。一方、厚さが厚いほど、より微細な分離が可能になります。

II. 主要な物理的メカニズムの分析

1. 遠心沈降の原動力

分離係数Kc：遠心力の強さを直接反映し、Kcが大きいほど粒子の沈降速度が速くなります。例：

微粒子（例：1～10μm）や密度差の小さい材料（例：油水混合物）を処理する場合は、回転速度を上げてKcを高める必要があります。

高粘度材料（ポリマースラリーなど）の流体抵抗を克服するには、より高い遠心力が必要です。

2. スクリュー速度差の役割

スラグ排出動力源：速度差によって生じる相対運動により、スクリューブレードが堆積層に軸方向の推力を加え、堆積物とドラムの内壁との間の摩擦（材料の粘度と固体の圧縮に関連）を克服します。

トルクとエネルギー消費: 速度差が大きいほどスクリューの押し出し速度は上がりますが、トルクとエネルギー消費も増加します。速度差が小さすぎると、沈殿物が蓄積したり、ドラムが詰まったりする可能性があります。

3. 流体力学的特性

層流: ドラム内の液相は層流状態 (低レイノルズ数) で流れ、乱流による分離効率への干渉を軽減します。

軸方向速度分布: ドラム内の液相の軸方向流速は、沈降していない粒子が液相に巻き込まれて排出されるのを防ぐために、固体の沈降速度と一致する必要があります (つまり、「短絡」現象)。

III. 異なる分離シナリオにおける原則的な違い

1. 固液分離（単液相シナリオ）

一般的なプロセス:

固相（スラッジ粒子など）はドラムの内壁に沈殿して堆積層を形成します。

スクリューにより堆積物が円錐状の端部スラグ排出口へ押し出され、脱水された固相（水分含有量が低減したもの）が排出されます。

オーバーフローポートからは透明な液体（液相）が排出されます。

重要な制御：回転速度（沈降効率に影響）と速度差（スラグ排出速度に影響）を調整することで、処理量と分離効率のバランスをとります。例えば、固形分含有量の高いスラッジの場合は、ドラムの詰まりを防ぐために、回転速度を下げ、速度差を大きくする必要があります。

2. 液液分離（2つの液体相、例：油水分離）

成層メカニズム: 密度差 (ρ重い液体>ρ軽い液体) により、混ざらない 2 つの液体が遠心力によって内側と外側の液体リングを形成します。

重い液相（廃水など）はドラムの内壁近くにあり、軽い液相（油など）は中央近くにあります。

デュアルオーバーフローポート設計：重液相は外側のオーバーフローポートから排出され、軽液相は内側のオーバーフローポートから排出されます。分離精度は、2つの液相間の密度差と回転速度に依存します（密度差が小さいほど、回転速度を高くする必要があります）。

3. 液体-固体-液体の三相分離（例：バイオディーゼル生産）

三相層別化：

最も重い相（触媒残留物などの固体相）はドラムの内壁に沈殿し、スクリューによって排出されます。

中間相（グリセロールなどの重い液体相）と軽い相（メチルエステルなどの軽い液体相）は 2 つの液体リングを形成し、異なるオーバーフロー ポートから排出されます。

構造の最適化: 完全な三相分離を確保し、混合を防ぐには、中間液相収集装置またはオーバーフロー堰の位置の調整が必要です。

IV. 原則に影響を与える主要な運用パラメータ

回転速度（分離係数）：遠心力の強さを決定し、粒子の沈降速度と液体の透明度に直接影響します。

速度差: 固相保持時間とスラグ排出効率を制御します。材料の粘度と固形分含有量に基づいて動的な調整が必要です。

供給速度: 供給速度が速すぎると液体の保持時間が不十分になり、沈殿していない粒子が透明な液体とともに排出され、分離効率が低下します。

凝集剤の補助: 微粒子材料 (例: <1 μm) の場合、粒子の凝集を促進し、有効粒子サイズを大きくし、沈降速度を高めるために凝集剤を添加する必要があります。

V. 原則適用の典型的な事例

廃水処理：含水率95%の汚泥を遠心沈降させ、スクリューで含水率75%～85%の泥ケーキを押し出します。得られた清澄液は再利用または更なる処理に使用されます。

原油の脱水：油、水、塩の密度差（水＋塩＞油）を利用し、高回転（例：3000 rpm）で水相をドラムの内壁に沈殿させ、油相を中央から溢れさせることで脱塩と脱水を実現します。

上記の原理により、デカンター遠心分離機は連続的かつ効率的な多相分離を実現します。その主な利点は、遠心沈降と機械搬送を単一の装置に統合し、処理量と分離精度のバランスをとっている点にあり、産業用固液回収や資源循環の分野で幅広い用途に使用できます。

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