데칸터 원심분리기에서 물질의 이동 과정은 무엇인가?

I. 공급 단계: 축 방향 입구 및 원주 방향 가속도

재료 입력 경로

분리할 물질(현탁액 등)은 낮은 초기 속도(층류에 가까움)로 중앙 공급관을 통해 축 방향(드럼의 축선)을 따라 드럼 내부로 들어갑니다.

드럼은 고속(1500~4500rpm)으로 회전하면서 내부 재료가 빠르게 원주 속도를 얻고 드럼과 동기적으로 회전합니다("강체 회전" 상태와 유사).

원심장 초기화

드럼에 들어가는 순간, 재료는 즉시 원심력(드럼 외벽을 향해 방사형으로 작용)을 받게 됩니다. 밀도가 높은 입자(고체상 또는 무거운 액상)는 드럼 내벽을 향해 방사형으로 이동하기 시작하고, 밀도가 낮은 액상(가벼운 액상)은 드럼 중앙으로 모여 예비 방사형 층(고체는 외층, 액상은 내층)을 형성합니다.

II. 원심 분리 단계: 방사형 침전과 축 방향 유동의 결합

1. 방사형 침전: 입자의 원심 운동

구동력: 원심력 \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (여기서 m은 입자 질량, \(\omega\)는 드럼의 각속도, r은 입자의 반경 위치)은 고체상 입자가 드럼의 내벽을 향해 이동하게 하며, 액체상의 점성 저항(스토크스 저항)을 극복합니다.

침전 속도: 입자의 반경 방향 침전 속도 \(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\) (밀도 차이, 입자 직경의 제곱, 원심력에 비례하고 액체 점도에 반비례함). 미세 입자(예: < 10 μm)는 드럼 내벽에 침전되기 위해 더 높은 회전 속도 또는 더 긴 체류 시간이 필요합니다.

2. 축류: 액상의 층류 운동

흐름 방향: 액체상(침전되지 않은 입자 포함)은 축 방향 압력 차이로 공급 끝(드럼의 원통형 부분)에서 오버플로우 끝(원통형 부분의 끝)으로 흐르며 축 방향 층류를 ​​형성합니다(난류로 인한 분리 효율 방해를 방지하기 위해 레이놀즈 수 \(Re < 2000\).

속도 분포: 액상(\(v_z\))의 축방향 속도는 반경 방향으로 포물선 분포를 보이며(중앙에서 가장 빠르고, 드럼 내벽 근처에서 0에 가까워짐), 이는 드럼 내 액체 링의 두께(오버플로우 위어 높이에 의해 결정됨)와 밀접한 관련이 있습니다. 액체 링이 얇을수록(오버플로우 위어 높이가 낮을수록) 액상의 축방향 유속이 빨라지고 체류 시간이 짧아집니다.

3. 운동 궤적의 중첩

개별 입자의 실제 운동 궤적은 방사형 침전 속도(v_r)와 축 방향 흐름 속도(v_z)의 벡터 합성으로, 드럼 끝을 향해 나선형으로 확장됩니다.

입자가 오버플로우 포트에 도달하기 전에 방사형 침전을 완료하면(\(v_r \cdot t \geq \Delta r\), 여기서 t는 액상 체류 시간이고 \(\Delta r\)은 입자의 초기 위치에서 드럼 내벽까지의 방사형 거리), 입자는 고체상으로 드럼 내벽에 체류합니다.

침전이 완료되지 않으면, 이는 "오버플로우 잔류물"로서 오버플로우 포트에서 액체상과 함께 배출됩니다.

III. 고체 배출 단계: 스크류 속도 차이에 의한 축방향 이송

1. 스크류와 드럼의 차등 운동

스크류 컨베이어는 드럼과 같은 방향으로 회전하지만, 스크류 속도 \(n_{\text{스크류}}\)는 드럼 속도 \(n_{\text{드럼}}\)보다 약간 낮으며, 속도 차이 \(\Delta n = n_{\text{드럼}} - n_{\text{스크류}} = 5–30 \, \text{rpm}\)가 있습니다.

속도 차이로 인해 스크류 블레이드와 드럼 내벽의 침전물 층 사이에 상대 각속도가 발생하여 축 방향으로 밀어내는 힘이 발생합니다(스크류 펌프의 원리와 유사).

2. 고체상의 축방향 운동

드럼 내벽에 침전된 고체 입자는 침전층으로 응집되고, 이 침전층은 스크류 블레이드에 의해 원뿔형 슬래그 배출구 쪽으로 드럼 축을 따라 이동합니다.

원통형 단면: 처음에는 침전물이 쌓이고 나사가 밀기 시작합니다.

원뿔형 단면: 드럼의 내경이 점차 감소하고, 침전물은 더욱 압착되고 탈수됩니다(건조 단면이라고 함). 최종적으로 수분 함량이 낮은 고체로 배출됩니다.

체류 시간 제어: 속도 차이가 작을수록 스크류 푸싱 속도가 느려지고, 드럼 내 고체상의 체류 시간이 길어지며, 탈수가 더 철저하게 이루어집니다(예: 슬러지 탈수 시나리오). 속도 차이가 크면 슬래그 배출이 더 빨라지므로 고체 함량이 높은 재료에 적합합니다(예: 미네랄 슬러리 분리).

IV. 액체 오버플로우 단계: 가벼운 액체상의 축 방향 배출

1. 액체 고리의 형성 및 층화

분리된 액상(가벼운 액상 또는 투명한 액체)은 드럼의 중앙 영역에 내부 액체 고리를 형성하며, 그 두께는 오버플로 웨어 높이에 따라 결정됩니다.

오버플로우 위어가 높을수록 액체 링이 두꺼워지고(드럼 내 액체상 부피가 커짐), 액체상의 체류 시간이 길어지고 분리 정밀도가 높아집니다.

오버플로우 위어가 낮을수록 액체 링이 얇아지고 처리량은 늘어나지만 분리 정밀도는 낮아집니다.

2. 액상의 축류 및 배출

액체 링 내의 액체상은 층류 상태에서 오버플로우 포트를 향해 축방향으로 흐르고 오버플로우 웨어를 통해 지속적으로 배출됩니다.

고체-액체 분리에서는 맑은 액체(예: 폐수 처리 후 유출수)가 배출됩니다.

액체-액체 분리에서 두 가지 액체상이 있는 경우(예: 오일-워터 성층화), 가벼운 액체상(오일)은 내부 오버플로우 포트에서 배출되고, 무거운 액체상(물)은 외부 오버플로우 포트에서 배출됩니다(이중 오버플로우 웨어 설계가 필요함).

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