princípio de funcionamento de uma centrífuga decantadora

I. Processos Principais de Movimentação de Materiais:

1. Alimentação e estabelecimento de campo centrífugo

Entrada de material: os materiais a serem separados (como suspensões ou emulsões) são continuamente alimentados axialmente através do tubo de alimentação para o centro do tambor (uma cavidade cilíndrica horizontal) girando em alta velocidade.

Função do Campo Centrífugo: O tambor gira em alta velocidade (1500–4500 rpm), gerando força centrífuga (fator de separação Kc = gω²r, tipicamente 1500–5000), cuja intensidade pode atingir milhares de vezes a da gravidade. Sob a força centrífuga, partículas mais densas (fase sólida ou fase líquida pesada) se depositam em direção à parede interna do tambor, enquanto fases líquidas menos densas (fases líquidas leves) se acumulam em direção ao centro do tambor, formando estratificação radial.

2. Sedimentação de sólidos e transporte helicoidal

Processo de Sedimentação: Partículas sólidas superam a resistência da fase líquida sob a ação da força centrífuga, movendo-se em direção à parede interna do tambor e depositando-se nela, formando uma camada de sedimento (como lodo ou partículas de cristal). A taxa de sedimentação das partículas está relacionada à força centrífuga, ao tamanho das partículas, à diferença de densidade e à viscosidade do líquido (aplicação estendida da Lei de Stokes).

Movimento diferencial do parafuso:

O transportador helicoidal gira na mesma direção que o tambor, mas em uma velocidade diferente (diferença de velocidade), com o parafuso normalmente girando um pouco mais devagar que o tambor.

A diferença de velocidade cria um movimento relativo entre o parafuso e a camada de sedimento na parede interna do tambor. As lâminas do parafuso empurram o sedimento ao longo do eixo do tambor em direção à porta de descarga de escória da extremidade cônica (a direção de empurrar é consistente com o eixo do tambor).

Controle do tempo de retenção: uma diferença de velocidade menor significa maior tempo de retenção de sólidos no tambor, levando a uma separação mais completa; uma diferença de velocidade maior aumenta a velocidade de descarga da escória, adequada para materiais com alto teor de sólidos.

3. Transbordamento e descarga de líquidos

Separação da fase líquida leve: A fase líquida separada (líquido leve ou líquido transparente) forma um anel líquido interno, fluindo axialmente ao longo do tambor em direção ao vertedouro de transbordamento da extremidade cilíndrica e descarregando continuamente através do vertedouro de transbordamento (com altura ajustável).

Controle da Espessura da Camada de Líquido: A altura da barragem de transbordamento determina a espessura do anel de líquido (ou seja, o volume de líquido no tambor). Uma espessura menor significa menor tempo de retenção do líquido no tambor, adequado para uma separação rápida; uma espessura maior permite uma separação mais fina.

II. Análise dos principais mecanismos físicos

1. Força motriz da sedimentação centrífuga

Fator de Separação Kc: Refletindo diretamente a intensidade da força centrífuga, um Kc maior resulta em uma sedimentação mais rápida das partículas. Por exemplo:

Ao processar partículas finas (por exemplo, 1–10 μm) ou materiais com pequenas diferenças de densidade (por exemplo, misturas de óleo e água), é necessário aumentar a velocidade de rotação para melhorar o Kc.

Uma força centrífuga maior é necessária para superar a resistência do fluido para materiais de alta viscosidade (como suspensões de polímeros).

2. Papel da diferença de velocidade do parafuso

Fonte de energia de descarga de escória: O movimento relativo causado pela diferença de velocidade permite que as lâminas dos parafusos exerçam impulso axial na camada de sedimento, superando o atrito entre o sedimento e a parede interna do tambor (relacionado à viscosidade do material e à compactação sólida).

Torque e consumo de energia: uma diferença de velocidade maior aumenta a velocidade de avanço do parafuso, mas o torque e o consumo de energia também aumentam; uma diferença de velocidade excessivamente pequena pode causar acúmulo de sedimentos e até mesmo bloqueio do tambor.

3. Características hidrodinâmicas

Fluxo laminar: a fase líquida no tambor flui em estado laminar (baixo número de Reynolds), reduzindo a interferência da turbulência na eficiência da separação.

Distribuição de velocidade axial: a velocidade do fluxo axial da fase líquida no tambor deve corresponder à taxa de sedimentação sólida para evitar que partículas não sedimentadas sejam arrastadas e descarregadas pela fase líquida (ou seja, o fenômeno do "curto-circuito").

III. Principais diferenças em diferentes cenários de separação

1. Separação Sólido-Líquido (Cenário de Fase Líquida Monofásica)

Processo típico:

A fase sólida (como partículas de lodo) se deposita na parede interna do tambor para formar uma camada de sedimento;

O parafuso empurra o sedimento para a porta de descarga de escória da extremidade cônica, e a fase sólida desidratada (com teor de umidade reduzido) é descarregada;

O líquido claro (fase líquida) é descarregado através da porta de transbordamento.

Controle Chave: Equilibrar a vazão e a eficiência da separação ajustando a velocidade de rotação (que afeta a eficiência da sedimentação) e a diferença de velocidade (que afeta a velocidade de descarga da escória). Por exemplo, lodo com alto teor de sólidos requer redução da velocidade de rotação e aumento da diferença de velocidade para evitar o bloqueio do tambor.

2. Separação líquido-líquido (duas fases líquidas, por exemplo, separação óleo-água)

Mecanismo de estratificação: Devido às diferenças de densidade (ρlíquido pesado>ρlíquido leve), dois líquidos imiscíveis formam anéis líquidos interno e externo sob força centrífuga:

A fase líquida pesada (como águas residuais) fica próxima à parede interna do tambor, e a fase líquida leve (como óleo) fica próxima ao centro.

Design com duas portas de transbordamento: a fase líquida pesada é descarregada pela porta de transbordamento externa e a fase líquida leve pela porta de transbordamento interna. A precisão da separação depende da diferença de densidade entre as duas fases líquidas e da velocidade de rotação (menor diferença de densidade requer maior velocidade de rotação).

3. Separação trifásica líquido-sólido-líquido (por exemplo, produção de biodiesel)

Estratificação trifásica:

A fase mais pesada (fase sólida, como resíduos de catalisadores) se deposita na parede interna do tambor e é descarregada pelo parafuso;

A fase intermediária (fase líquida pesada, como glicerol) e a fase leve (fase líquida leve, como éster metílico) formam dois anéis líquidos, descarregados através de diferentes portas de transbordamento.

Otimização estrutural: Dispositivos intermediários de coleta de fase líquida ou ajustes nas posições do vertedouro de transbordamento são necessários para garantir a separação trifásica completa e evitar a mistura.

IV. Principais parâmetros operacionais que influenciam o princípio

Velocidade de rotação (fator de separação): determina a intensidade da força centrífuga, afetando diretamente a taxa de sedimentação de partículas e a clareza do líquido.

Diferença de velocidade: controla o tempo de retenção da fase sólida e a eficiência da descarga de escória, exigindo ajuste dinâmico com base na viscosidade do material e no conteúdo sólido.

Taxa de alimentação: Velocidade de alimentação excessivamente alta resulta em tempo de retenção de líquido insuficiente, fazendo com que partículas não sedimentadas sejam descarregadas com líquido claro e reduzindo a eficiência da separação.

Assistência de floculante: para materiais de partículas finas (por exemplo, <1 μm), floculantes devem ser adicionados para promover a aglomeração de partículas, aumentar o tamanho efetivo das partículas e melhorar a velocidade de sedimentação.

V. Casos típicos de aplicação do princípio

Tratamento de Efluentes: Lodo com 95% de umidade é sedimentado por centrifugação, e o parafuso sem-fim expele bolos de lama com 75% a 85% de umidade. O líquido límpido é reutilizado ou submetido a tratamento adicional.

Desidratação de petróleo bruto: utilizando diferenças de densidade entre óleo, água e sal (água + sal > óleo), a alta velocidade de rotação (por exemplo, 3.000 rpm) faz com que a fase aquosa se deposite na parede interna do tambor, enquanto a fase oleosa transborda do centro, conseguindo a dessalinização e a desidratação.

Por meio dos princípios acima, a centrífuga decantadora alcança uma separação multifásica contínua e eficiente. Sua principal vantagem reside na integração da sedimentação centrífuga e do transporte mecânico em um único dispositivo, equilibrando o rendimento e a precisão da separação, com amplas aplicações em cenários industriais de recuperação de sólidos-líquidos e circulação de recursos.

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