Máquinas Shenzhou - Fabricante profissional de máquina centrífuga industrial e fornecedor de separadores centrífugos na China
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Máquinas Shenzhou - Fabricante profissional de máquina centrífuga industrial e fornecedor de separadores centrífugos na China
O movimento de materiais em uma centrífuga decantadora é um processo de acoplamento dinâmico de sedimentação centrífuga, estratificação radial e transporte axial, envolvendo movimentos complexos no espaço tridimensional (radial, axial e circunferencial). A descrição a seguir se desdobra em quatro etapas principais: alimentação, separação centrífuga, descarga de sólidos e transbordamento de líquidos, analisando as leis de movimento em combinação com as características da mecânica dos fluidos:
I. Estágio de Alimentação: Entrada Axial e Aceleração Circunferencial
Caminho de entrada de material
Os materiais a serem separados (como suspensões) entram no interior do tambor ao longo da direção axial (eixo do tambor) através do tubo de alimentação central, com baixa velocidade inicial (próxima ao fluxo laminar).
O tambor gira em alta velocidade (1500–4500 rpm), fazendo com que os materiais internos adquiram rapidamente velocidade circunferencial e girem sincronizadamente com o tambor (semelhante a um estado de "rotação rígida").
Inicialização de campo centrífugo
Ao entrar no tambor, os materiais são imediatamente submetidos à força centrífuga (dirigida radialmente em direção à parede externa do tambor). Partículas mais densas (fase sólida ou fase líquida pesada) começam a migrar radialmente em direção à parede interna do tambor, enquanto fases líquidas menos densas (fase líquida leve) se concentram em direção ao centro do tambor, formando uma estratificação radial preliminar (fase sólida na camada externa, fase líquida na camada interna).
II. Etapa de Separação Centrífuga: Acoplamento da Sedimentação Radial e do Fluxo Axial
1. Sedimentação Radial: Movimento Centrífugo de Partículas
Força motriz: a força centrífuga \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (onde m é a massa da partícula, \(\omega\) é a velocidade angular do tambor e r é a posição radial da partícula) faz com que as partículas da fase sólida se movam em direção à parede interna do tambor, superando a resistência viscosa da fase líquida (resistência de Stokes).
Velocidade de Sedimentação: A velocidade radial de sedimentação das partículas (v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}) (proporcional à diferença de densidade, ao quadrado do diâmetro da partícula e à força centrífuga; inversamente proporcional à viscosidade do líquido). Partículas finas (por exemplo, < 10 μm) requerem velocidades de rotação mais altas ou tempos de retenção mais longos para se depositarem na parede interna do tambor.
2. Fluxo Axial: Movimento Laminar da Fase Líquida
Direção do fluxo: A fase líquida (incluindo partículas não sedimentadas arrastadas) flui da extremidade de alimentação (seção cilíndrica do tambor) para a extremidade de transbordamento (extremidade da seção cilíndrica) sob diferença de pressão axial, formando fluxo laminar axial (número de Reynolds \(Re < 2000\) para evitar turbulência que perturbe a eficiência da separação).
Distribuição de Velocidades: A velocidade axial da fase líquida (v_z) apresenta uma distribuição parabólica ao longo da direção radial (mais rápida no centro, aproximando-se de 0 próximo à parede interna do tambor), intimamente relacionada à espessura do anel de líquido no tambor (determinada pela altura da barragem de transbordamento). Quanto mais fino o anel de líquido (menor altura da barragem de transbordamento), mais rápida é a velocidade do fluxo axial da fase líquida e menor é o tempo de retenção.
3. Superposição de trajetórias de movimento
A trajetória real do movimento de partículas individuais é a síntese vetorial da velocidade de sedimentação radial \(v_r\) e da velocidade de fluxo axial \(v_z\), estendendo-se espiralmente em direção à extremidade do tambor:
Se as partículas completarem a sedimentação radial antes de atingir a porta de transbordamento (\(v_r \cdot t \geq \Delta r\), onde t é o tempo de retenção da fase líquida e \(\Delta r\) é a distância radial da posição inicial da partícula até a parede interna do tambor), elas são retidas na parede interna do tambor como fase sólida;
Se a sedimentação for incompleta, eles são descarregados com a fase líquida pela porta de transbordamento como "resíduos de transbordamento".
III. Estágio de Descarga de Sólidos: Transporte Axial Impulsionado pela Diferença de Velocidade do Parafuso
1. Movimento diferencial do parafuso e do tambor
O transportador helicoidal gira na mesma direção que o tambor, mas a velocidade do parafuso \(n_{\text{parafuso}}\) é ligeiramente menor que a velocidade do tambor \(n_{\text{tambor}}\), com uma diferença de velocidade \(\Delta n = n_{\text{tambor}} - n_{\text{parafuso}} = 5–30 \, \text{rpm}\).
A diferença de velocidade cria uma velocidade angular relativa entre as lâminas do parafuso e a camada de sedimento na parede interna do tambor, gerando uma força de empuxo axial (semelhante ao princípio de uma "bomba de parafuso").
2. Movimento Axial da Fase Sólida
Partículas sólidas depositadas na parede interna do tambor se agregam em uma camada de sedimento, que é movida ao longo do eixo do tambor em direção à porta cônica de descarga de escória pelas lâminas helicoidais:
Seção cilíndrica: inicialmente o sedimento se acumula e o parafuso começa a empurrar;
Seção cônica: O diâmetro interno do tambor diminui gradualmente, e o sedimento é ainda mais comprimido e desidratado (chamado de "seção de secagem"), finalmente descarregado como um sólido com baixo teor de umidade.
Controle do tempo de retenção: uma diferença de velocidade menor resulta em menor velocidade de empurrar o parafuso, maior tempo de retenção da fase sólida no tambor e desidratação mais completa (por exemplo, em cenários de desidratação de lodo); uma diferença de velocidade maior permite uma descarga de escória mais rápida, adequada para materiais com alto teor de sólidos (por exemplo, separação de lama mineral).
IV. Estágio de Transbordamento de Líquido: Descarga Axial da Fase Líquida Leve
1. Formação e Estratificação do Anel Líquido
A fase líquida separada (fase líquida leve ou líquido claro) forma um anel líquido interno na região central do tambor, cuja espessura é determinada pela altura da barragem de transbordamento:
Quanto maior o vertedouro de transbordamento, mais espesso será o anel de líquido (maior volume da fase líquida no tambor), maior tempo de retenção da fase líquida e maior precisão de separação;
Quanto menor o vertedouro de transbordamento, mais fino será o anel de líquido, maior será o rendimento, mas menor será a precisão de separação.
2. Fluxo Axial e Descarga da Fase Líquida
A fase líquida no anel líquido flui axialmente em direção à porta de transbordamento em estado laminar e é continuamente descarregada através do vertedouro de transbordamento:
Na separação sólido-líquido, o líquido claro (por exemplo, efluente após tratamento de águas residuais) é descarregado;
Na separação líquido-líquido, se houver duas fases líquidas (por exemplo, estratificação óleo-água), a fase líquida leve (óleo) é descarregada pela porta de transbordamento interna, e a fase líquida pesada (água) é descarregada pela porta de transbordamento externa (exigindo um projeto de vertedouro de transbordamento duplo).
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