데칸터 원심분리기에서 물질의 이동 과정은 무엇입니까?

I. 공급 단계: 축 방향 유입구 및 원주 방향 가속

재료 입력 경로

분리 대상 물질(예: 현탁액)은 중앙 공급관을 통해 드럼의 축 방향(드럼의 축)을 따라 낮은 초기 속도(층류에 가까운 속도)로 드럼 내부로 유입됩니다.

드럼은 고속(1500~4500rpm)으로 회전하여 내부 재료가 빠르게 원주 속도를 얻고 드럼과 동기적으로 회전하게 됩니다(마치 "강체 회전" 상태와 유사).

원심 자기장 초기화

드럼에 투입되는 물질은 즉시 원심력(드럼 외벽 방향으로 작용하는 방사형 힘)을 받게 됩니다. 밀도가 높은 입자(고체 또는 무거운 액체)는 드럼 내벽 방향으로 방사형 이동을 시작하고, 밀도가 낮은 액체(가벼운 액체)는 드럼 중심부로 모여 초기 방사형 층상 구조(바깥층에는 고체, 안쪽층에는 액체)를 형성합니다.

II. 원심 분리 단계: 방사형 침전과 축류의 결합

1. 방사형 침전: 입자의 원심 운동

구동력: 원심력 \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (여기서 m은 입자의 질량, \(\omega\)는 드럼의 각속도, r은 입자의 반경 방향 위치)은 고체상 입자가 드럼의 내벽 쪽으로 이동하도록 하며, 액체상의 점성 저항(스토크스 저항)을 극복하게 합니다.

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

2. 축류: 액체상의 층류 운동

유동 방향: 액상(침전되지 않은 입자를 포함)은 축 방향 압력 차이에 따라 공급단(드럼의 원통형 부분)에서 유출단(원통형 부분의 끝)으로 흐르며, 분리 효율을 저해하는 난류를 방지하기 위해 레이놀즈 수 \(Re < 2000\)를 만족하는 축 방향 층류를 ​​형성합니다.

속도 분포: 액상 축 방향 속도 \(v_z\)는 반경 방향을 따라 포물선 분포를 나타냅니다(중심에서 가장 빠르고 드럼 내벽 근처에서는 0에 가까워짐). 이는 드럼 내 액상 고리의 두께(오버플로우 위어 높이로 결정됨)와 밀접한 관련이 있습니다. 액상 고리가 얇을수록(오버플로우 위어 높이가 낮을수록) 액상의 축 방향 유속이 빨라지고 체류 시간이 짧아집니다.

3. 운동 궤적의 중첩

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

입자가 오버플로 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 내부 벽까지의 방사형 거리임), 입자는 고체상으로 드럼 내부 벽에 잔류합니다.

침전이 불완전한 경우, 액체상과 함께 오버플로우 포트를 통해 "오버플로우 잔류물"로 배출됩니다.

III. 고형물 배출 단계: 스크류 속도 차이에 의한 축 방향 이송

1. 스크류와 드럼의 차등 운동

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

속도 차이로 인해 스크류 블레이드와 드럼 내벽의 침전물 층 사이에 상대적인 각속도가 발생하여 축 방향으로 미는 힘이 생깁니다(스크류 펌프의 원리와 유사).

2. 고체상의 축 방향 이동

드럼 내부 벽에 침전된 고체 입자들은 응집되어 침전층을 형성하고, 이 침전층은 스크류 블레이드에 의해 드럼 축을 따라 원뿔형 슬래그 배출구 쪽으로 이동합니다.

원통형 부분: 초기에는 침전물이 쌓이고, 스크류가 밀어내기 시작합니다.

원추형 구간: 드럼의 내경이 점차 감소하면서 침전물이 더욱 압착되고 탈수(건조 구간)되어 최종적으로 수분 함량이 낮은 고체 형태로 배출됩니다.

체류 시간 제어: 속도 차이가 작을수록 스크류 푸싱 속도가 느려져 드럼 내 고형상 체류 시간이 길어지고 탈수가 더욱 철저하게 이루어집니다(예: 슬러지 탈수 시나리오). 속도 차이가 클수록 슬래그 배출 속도가 빨라져 고형분 함량이 높은 물질(예: 광물 슬러리 분리)에 적합합니다.

IV. 액체 넘침 단계: 가벼운 액체상의 축 방향 배출

1. 액체 고리의 형성 및 층화

분리된 액상(가벼운 액상 또는 투명한 액체)은 드럼 중앙 부분에 내부 액체 고리를 형성하며, 이 고리의 두께는 오버플로우 위어의 높이에 의해 결정됩니다.

오버플로우 위어가 높을수록 액체 고리가 두꺼워지고(드럼 내 액상 부피가 커짐), 액상의 체류 시간이 길어지며, 분리 정밀도가 높아집니다.

오버플로우 위어의 높이가 낮을수록 액체 고리가 얇아져 처리량은 늘어나지만 분리 정밀도는 떨어집니다.

2. 액상 축류 및 배출

액체 고리 내의 액체상은 층류 상태로 축 방향으로 흐르며, 오버플로우 포트를 향해 지속적으로 배출됩니다.

고액 분리에서는 투명한 액체(예: 폐수 처리 후 유출수)가 배출됩니다.

액체-액체 분리에서 두 가지 액체상이 존재하는 경우(예: 유수 층화), 가벼운 액체상(기름)은 내부 오버플로우 포트를 통해 배출되고, 무거운 액체상(물)은 외부 오버플로우 포트를 통해 배출됩니다(이를 위해서는 이중 오버플로우 위어 설계가 필요합니다).