데칸터 원심분리기의 작동 원리

I. 물질 이동의 핵심 과정:

1. 급이 및 원심분리장 설치

재료 투입: 분리할 재료(현탁액이나 유화액 등)는 공급 파이프를 통해 축방향으로 연속적으로 공급되어 고속으로 회전하는 드럼 중앙(수평 원통형 공동)으로 들어갑니다.

원심장의 기능: 드럼은 고속(1500~4500 rpm)으로 회전하여 원심력(분리 계수 Kc=gω²r, 일반적으로 1500~5000)을 발생시킵니다. 원심력의 세기는 중력의 수천 배에 달할 수 있습니다. 원심력이 작용하면 밀도가 높은 입자(고상 또는 무거운 액상)는 드럼 내벽으로 가라앉고, 밀도가 낮은 액상(가벼운 액상)은 드럼 중앙으로 모여 방사형 층을 형성합니다.

2. 고체 침전 및 스크류 이송

침전 과정: 고체 입자는 원심력에 의해 액체상의 저항을 극복하고 드럼 내벽으로 이동하여 침전물층(슬러지 또는 결정 입자)을 형성합니다. 입자 침전 속도는 원심력, 입자 크기, 밀도차, 그리고 액체 점도(스토크스 법칙의 확장 적용)와 관련이 있습니다.

나사의 차등 운동:

스크류 컨베이어는 드럼과 같은 방향으로 회전하지만 속도가 다릅니다(속도 차이). 일반적으로 스크류는 드럼보다 약간 느리게 회전합니다.

속도 차이로 인해 스크류와 드럼 내벽의 퇴적물 층 사이에 상대 운동이 발생합니다. 스크류 블레이드는 퇴적물을 드럼 축을 따라 원뿔형 끝 슬래그 배출구 쪽으로 밀어냅니다(밀어내는 방향은 드럼 축과 일치합니다).

체류 시간 제어: 속도 차이가 작을수록 드럼 내 고형물의 체류 시간이 길어져 더욱 철저하게 분리됩니다. 속도 차이가 크면 슬래그 배출 속도가 빨라지므로 고형물 함량이 높은 재료에 적합합니다.

3. 액체 오버플로우 및 배출

가벼운 액상 분리: 분리된 액상(가벼운 액체 또는 투명한 액체)은 내부 액체 링을 형성하여 드럼을 따라 축 방향으로 원통형 끝 오버플로우 웨어를 향해 흐르고 오버플로우 웨어(조정 가능한 높이)를 통해 지속적으로 방출됩니다.

액체층 두께 제어: 오버플로우 위어의 높이는 액체 링의 두께(즉, 드럼 내 액체의 부피)를 결정합니다. 두께가 얇을수록 드럼 내 액체 체류 시간이 짧아 빠른 분리에 적합하며, 두께가 두꺼울수록 미세 분리가 가능합니다.

II. 주요 물리적 메커니즘 분석

1. 원심침전의 원동력

분리 계수 Kc: 원심력의 강도를 직접적으로 반영하는 Kc가 클수록 입자 침강 속도가 빨라집니다. 예를 들어:

미세 입자(예: 1~10μm)나 밀도 차이가 작은 물질(예: 오일-물 혼합물)을 처리할 경우 Kc를 높이기 위해 회전 속도를 높여야 합니다.

고점도 물질(예: 폴리머 슬러리)의 유체 저항을 극복하려면 더 높은 원심력이 필요합니다.

2. 스크류 속도 차이의 역할

슬래그 배출 동력의 원천: 속도 차이로 인해 발생하는 상대 운동은 스크류 블레이드가 퇴적물 층에 축 방향 추력을 가하여 퇴적물과 드럼 내벽 사이의 마찰(재료 점도 및 고체 압축과 관련)을 극복할 수 있게 합니다.

토크 및 에너지 소비: 속도 차이가 크면 나사를 푸는 속도가 빨라지지만 토크와 에너지 소비도 증가합니다. 속도 차이가 지나치게 작으면 침전물이 쌓이고 드럼이 막힐 수도 있습니다.

3. 유체역학적 특성

층류: 드럼 내의 액체상은 층류 상태(낮은 레이놀즈 수)로 흐르므로 분리 효율에 대한 난류의 간섭이 줄어듭니다.

축 속도 분포: 드럼 내 액상의 축 방향 흐름 속도는 고체 침전 속도와 일치해야 하며, 침전되지 않은 입자가 액상에 끌려들어 배출되는 것을 방지해야 합니다(즉, "단락" 현상).

III. 다양한 분리 시나리오에서의 원리 차이

1. 고체-액체 분리(단일 액상 시나리오)

일반적인 프로세스:

고체상(슬러지 입자 등)은 드럼의 내벽에 침전되어 침전물층을 형성합니다.

나사는 침전물을 원뿔형 끝 슬래그 배출구로 밀어 넣고, 탈수된 고형상(수분 함량 감소)이 배출됩니다.

투명한 액체(액상)는 오버플로우 포트를 통해 배출됩니다.

핵심 제어: 회전 속도(침전 효율에 영향을 미침)와 속도 차이(슬래그 배출 속도에 영향을 미침)를 조정하여 처리량과 분리 효율의 균형을 맞춥니다. 예를 들어, 고형분 함량이 높은 슬러지의 경우, 드럼 막힘을 방지하기 위해 회전 속도를 낮추고 속도 차이를 높여야 합니다.

2. 액체-액체 분리(두 액체상, 예: 오일-물 분리)

층화 메커니즘: 밀도 차이(ρ무거운 액체>ρ가벼운 액체)로 인해 서로 섞이지 않는 두 액체가 원심력에 의해 내부 및 외부 액체 고리를 형성합니다.

무거운 액체 상태(폐수 등)는 드럼의 내벽 근처에 있고, 가벼운 액체 상태(오일 등)는 중앙 근처에 있습니다.

이중 오버플로우 포트 설계: 무거운 액체상은 외부 오버플로우 포트를 통해, 가벼운 액체상은 내부 오버플로우 포트를 통해 배출됩니다. 분리 정밀도는 두 액체상 간의 밀도차와 회전 속도에 따라 달라집니다(밀도차가 작을수록 회전 속도가 빨라짐).

3. 액체-고체-액체 3상 분리(예: 바이오디젤 생산)

3단계 계층화:

가장 무거운 상(촉매 잔류물과 같은 고체 상)은 드럼의 내벽에 침전되고 스크류에 의해 배출됩니다.

중간상(글리세롤과 같은 무거운 액상)과 가벼운 상(메틸 에스테르와 같은 가벼운 액상)은 두 개의 액체 고리를 형성하며, 다른 오버플로우 포트를 통해 배출됩니다.

구조 최적화: 3상 분리를 완벽하게 보장하고 혼합을 방지하기 위해 중간 액상 수집 장치 또는 오버플로우 웨어 위치 조정이 필요합니다.

IV. 원리에 영향을 미치는 주요 운영 매개변수

회전 속도(분리 계수): 원심력 강도를 결정하며, 입자 침전 속도와 액체 투명도에 직접적인 영향을 미칩니다.

속도 차이: 고체상 체류 시간과 슬래그 배출 효율을 제어하며, 재료 점도와 고체 함량에 따라 동적 조정이 필요합니다.

공급 속도: 공급 속도가 지나치게 빠르면 액체 보유 시간이 충분하지 않아 침전되지 않은 입자가 맑은 액체와 함께 배출되고 분리 효율이 감소합니다.

응집제 지원: 미세 입자 물질(예: <1μm)의 경우, 입자 응집을 촉진하고, 효과적인 입자 크기를 늘리고, 침전 속도를 높이기 위해 응집제를 첨가해야 합니다.

V. 원칙 적용의 일반적인 사례

폐수 처리: 수분 함량 95%의 슬러지를 원심분리하여 침전시키고, 스크류를 통해 수분 함량 75~85%의 진흙 덩어리를 밀어냅니다. 맑은 액체는 재활용되거나 추가 처리됩니다.

원유 탈수: 원유, 물, 소금의 밀도 차이(물 + 소금 > 원유)를 이용하여 높은 회전 속도(예: 3000rpm)로 인해 수상은 드럼 내벽에 가라앉고 원유는 중앙에서 넘쳐나서 염분 제거 및 탈수가 이루어집니다.

데칸터 원심분리기는 위의 원리를 통해 연속적이고 효율적인 다상 분리를 달성합니다. 이 장치의 핵심 장점은 원심 침전과 기계적 이송을 단일 장치로 통합하여 처리량과 분리 정밀도의 균형을 맞추는 것입니다. 이 장치는 산업용 고액 회수 및 자원 순환 분야에서 폭넓게 활용됩니다.

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