데칸터 원심분리기의 작동 원리
재료 투입: 분리 대상 물질(예: 현탁액 또는 유화액)은 공급 파이프를 통해 고속으로 회전하는 드럼(수평 원통형 공간) 중앙으로 축 방향으로 연속적으로 공급됩니다.
원심력의 작용 원리: 드럼은 고속(1500~4500rpm)으로 회전하면서 원심력(분리 계수 Kc=gω²r, 일반적으로 1500~5000)을 발생시키는데, 그 크기는 중력의 수천 배에 달할 수 있습니다. 원심력에 의해 밀도가 높은 입자(고체상 또는 무거운 액체상)는 드럼의 안쪽 벽으로 침전되고, 밀도가 낮은 액체상(가벼운 액체상)은 드럼의 중심으로 모여 방사형 층화를 형성합니다.
2. 고형물 침전 및 스크류 이송
침전 과정: 고체 입자는 원심력에 의해 액체상의 저항을 극복하고 드럼의 내벽으로 이동하여 침전층(슬러지 또는 결정 입자 등)을 형성합니다. 입자의 침전 속도는 원심력, 입자 크기, 밀도 차이 및 액체 점도와 관련이 있습니다(스토크스 법칙의 확장된 적용).
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 침전물 층 사이에 상대적인 움직임이 발생합니다. 스크류 블레이드는 침전물을 드럼 축을 따라 원뿔형 끝단 슬래그 배출구 쪽으로 밀어냅니다(밀어내는 방향은 드럼 축과 일치합니다).
체류 시간 제어: 속도 차이가 작을수록 드럼 내 고형물의 체류 시간이 길어져 더욱 철저한 분리가 가능하며, 속도 차이가 클수록 슬래그 배출 속도가 빨라져 고형물 함량이 높은 재료에 적합합니다.
3. 액체 넘침 및 배출
가벼운 액체상 분리: 분리된 액체상(가벼운 액체 또는 투명한 액체)은 드럼 내부를 따라 축 방향으로 흐르면서 원통형 끝단 오버플로 위어를 향해 이동하고, (높이 조절이 가능한) 오버플로 위어를 통해 지속적으로 배출됩니다.
액층 두께 조절: 오버플로우 위어의 높이는 액층 두께(즉, 드럼 내 액량의 부피)를 결정합니다. 두께가 얇을수록 드럼 내 액체 체류 시간이 짧아져 신속한 분리에 적합하고, 두께가 두꺼울수록 더욱 정밀한 분리가 가능합니다.
II. 주요 물리적 메커니즘 분석
1. 원심 침전의 추진력
분리 계수 Kc: 원심력의 강도를 직접적으로 반영하는 값으로, Kc 값이 클수록 입자 침전 속도가 빨라집니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
미세 입자(예: 1~10μm) 또는 밀도 차이가 작은 물질(예: 기름-물 혼합물)을 처리할 때는 Kc 값을 높이기 위해 회전 속도를 증가시켜야 합니다.
고점도 물질(예: 고분자 슬러리)의 유체 저항을 극복하려면 더 높은 원심력이 필요합니다.
2. 나사 속도 차이의 역할
슬래그 배출 동력의 원천: 속도 차이로 인한 상대 운동은 스크류 블레이드가 침전층에 축 방향 추력을 가할 수 있도록 하여 침전물과 드럼 내벽 사이의 마찰(재료의 점성 및 고체 압축과 관련됨)을 극복하게 합니다.
토크 및 에너지 소비: 속도 차이가 클수록 스크류 푸싱 속도는 증가하지만 토크와 에너지 소비량도 증가합니다. 속도 차이가 지나치게 작으면 침전물 축적 및 드럼 막힘 현상이 발생할 수 있습니다.
3. 유체역학적 특성
층류 흐름: 드럼 내부의 액체상은 층류 상태(낮은 레이놀즈 수)로 흐르므로 난류가 분리 효율에 미치는 영향을 줄입니다.
축 방향 유속 분포: 드럼 내 액상 축 방향 유속은 고형물 침전 속도와 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 침전되지 않은 입자가 액상에 혼입되어 배출될 수 있습니다(즉, "단락" 현상).
III. 다양한 분리 시나리오의 주요 차이점
1. 고체-액체 분리 (단일 액상 시나리오)
일반적인 절차:
고체상(예: 슬러지 입자)은 드럼의 내벽에 침전되어 침전층을 형성합니다.
스크류는 침전물을 원뿔형 끝단 슬래그 배출구로 밀어내고, 탈수된 고체상(수분 함량이 감소된)이 배출됩니다.
투명한 액체(액상)는 오버플로우 포트를 통해 배출됩니다.
핵심 제어: 회전 속도(침전 효율에 영향)와 속도 차이(슬래그 배출 속도에 영향)를 조절하여 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 가지 액체 상, 예: 기름-물 분리)
층화 메커니즘: 밀도 차이(ρ무거운 액체 > ρ가벼운 액체)로 인해, 서로 섞이지 않는 두 액체는 원심력에 의해 내부 및 외부 액체 고리를 형성합니다.
무거운 액체상(예: 폐수)은 드럼의 내벽 부근에 있고, 가벼운 액체상(예: 기름)은 중심부 부근에 있습니다.
이중 오버플로우 포트 설계: 무거운 액체상은 외부 오버플로우 포트를 통해 배출되고, 가벼운 액체상은 내부 오버플로우 포트를 통해 배출됩니다. 분리 정밀도는 두 액체상의 밀도 차이와 회전 속도에 따라 달라집니다(밀도 차이가 작을수록 회전 속도가 높아야 합니다).
3. 액체-고체-액체 3상 분리 (예: 바이오디젤 생산)
3단계 층화:
가장 무거운 상(촉매 잔류물과 같은 고체상)은 드럼의 내벽에 침전되어 스크류에 의해 배출됩니다.
중간상(글리세롤과 같은 무거운 액체상)과 가벼운상(메틸 에스테르와 같은 가벼운 액체상)은 두 개의 액체 고리를 형성하여 서로 다른 오버플로우 포트를 통해 배출됩니다.
구조적 최적화: 완전한 3상 분리를 보장하고 혼합을 방지하기 위해서는 중간 액상 수집 장치 또는 오버플로 위어 위치 조정이 필요합니다.
IV. 원리에 영향을 미치는 주요 운영 매개변수
회전 속도(분리 계수): 원심력의 강도를 결정하며, 입자 침전 속도와 액체 투명도에 직접적인 영향을 미칩니다.
속도 차이: 고형상 체류 시간 및 슬래그 배출 효율을 제어하며, 재료 점도 및 고형분 함량에 따라 동적으로 조정해야 합니다.
공급 속도: 공급 속도가 지나치게 높으면 액체 체류 시간이 부족해져 침전되지 않은 입자가 맑은 액체와 함께 배출되어 분리 효율이 저하됩니다.
응집제 첨가: 미세 입자 물질(예: <1 μm)의 경우, 입자 응집을 촉진하고 유효 입자 크기를 증가시키며 침전 속도를 향상시키기 위해 응집제를 첨가해야 합니다.
V. 원칙 적용의 전형적인 사례
폐수 처리: 수분 함량이 95%인 슬러지를 원심분리하여 침전시키고, 스크류를 이용해 수분 함량이 75~85%인 머드 케이크를 분리합니다. 맑은 액체는 재사용하거나 추가 처리합니다.
원유 탈수: 원유, 물, 소금의 밀도 차이(물 + 소금 > 원유)를 이용하여 높은 회전 속도(예: 3000rpm)로 물을 드럼의 내벽에 침전시키고, 기름은 중앙에서 넘쳐흐르게 하여 탈염 및 탈수를 달성합니다.
상기 원리를 통해 데칸터 원심분리기는 연속적이고 효율적인 다상 분리를 구현합니다. 데칸터 원심분리기의 핵심 장점은 원심 침전과 기계적 이송을 하나의 장치에 통합하여 처리량과 분리 정밀도의 균형을 맞추는 데 있으며, 산업 분야의 고체-액체 회수 및 자원 순환 시나리오에 폭넓게 적용될 수 있다는 점입니다.
