Qual é o processo de movimentação de materiais em uma centrífuga decantadora?

I. Etapa de Alimentação: Entrada Axial e Aceleração Circunferencial

Caminho de entrada de materiais

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 uma 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 do Campo Centrífugo

Ao entrar no tambor, os materiais são imediatamente submetidos à força centrífuga (direcionada radialmente para a parede externa do tambor). As partículas mais densas (fase sólida ou fase líquida mais densa) começam a migrar radialmente em direção à parede interna do tambor, enquanto as fases líquidas menos densas (fase líquida menos densa) se acumulam em direção ao centro do tambor, formando uma estratificação radial preliminar (fase sólida na camada externa, fase líquida na camada interna).

II. Estágio 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, vencendo a resistência viscosa da fase líquida (resistência de Stokes).

Velocidade de Sedimentação: A velocidade radial de sedimentação das partículas é dada por \(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\) (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. Escoamento Axial: Movimento Laminar da Fase Líquida

Direção do fluxo: A fase líquida (incluindo partículas não sedimentadas em suspensão) flui da extremidade de alimentação (seção cilíndrica do tambor) para a extremidade de transbordamento (extremidade da seção cilíndrica) sob diferença de pressão axial, formando um fluxo laminar axial (número de Reynolds < 2000 para evitar que a turbulência perturbe a eficiência da separação).

Distribuição de Velocidade: 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 líquido no tambor (determinada pela altura do vertedouro de transbordamento). Quanto mais fino o anel líquido (menor a altura do vertedouro de transbordamento), maior a velocidade de fluxo axial da fase líquida e menor 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 em espiral em direção à extremidade do tambor:

Se as partículas completarem a sedimentação radial antes de atingirem 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;

Caso a sedimentação seja incompleta, os resíduos são descarregados juntamente com a fase líquida através da porta de transbordamento, sendo denominados "resíduos de transbordamento".

III. Estágio de Descarga de Sólidos: Transporte Axial Acionado pela Diferença de Velocidade da Rosca

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 inferior à 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 pás da hélice e a camada de sedimentos 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 formando uma camada de sedimento, que é movimentada ao longo do eixo do tambor em direção à porta cônica de descarga de escória pelas lâminas helicoidais:

Seção cilíndrica: Inicialmente, ocorre acúmulo de sedimentos e a rosca 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"), sendo finalmente descarregado como um sólido com baixo teor de umidade.

Controle do Tempo de Retenção: Uma menor diferença de velocidade resulta em uma velocidade de empurrar a rosca mais lenta, maior tempo de retenção da fase sólida no tambor e desidratação mais completa (por exemplo, em cenários de desidratação de lodo); uma maior diferença de velocidade permite uma descarga mais rápida da escória, 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 transparente) forma um anel líquido interno na região central do tambor, cuja espessura é determinada pela altura do vertedouro de transbordamento:

Quanto mais alto for o vertedouro, mais espesso será o anel líquido (maior volume da fase líquida no tambor), maior será o tempo de retenção da fase líquida e maior será a precisão da separação;

Quanto mais baixo o vertedouro, mais fino o anel líquido, maior a vazão, mas menor a precisão da separação.

2. Escoamento axial e descarga da fase líquida

A fase líquida no anel líquido flui axialmente em direção à porta de extravasamento em regime laminar e é continuamente descarregada através do vertedouro de extravasamento:

Na separação sólido-líquido, o líquido transparente (por exemplo, o efluente após o tratamento de águas residuais) é descartado;

Na separação líquido-líquido, se houver duas fases líquidas (por exemplo, estratificação óleo-água), a fase líquida mais leve (óleo) é descarregada pela porta de transbordamento interna e a fase líquida mais pesada (água) é descarregada pela porta de transbordamento externa (o que exige um projeto de vertedouro duplo).