Каков процесс перемещения материалов в центрифуге-декантере?

I. Этап подачи: осевой ввод и круговое ускорение

Путь ввода материала

Разделяемые вещества (например, суспензии) поступают внутрь барабана вдоль осевого направления (оси барабана) через центральную подающую трубу с низкой начальной скоростью (близкой к ламинарному потоку).

Барабан вращается с высокой скоростью (1500–4500 об/мин), заставляя внутренние материалы быстро набирать окружную скорость и вращаться синхронно с барабаном (подобно состоянию «жесткого вращения»).

Инициализация центробежного поля

При попадании в барабан материалы немедленно подвергаются центробежной силе (направленной радиально к внешней стенке барабана). Более плотные частицы (твердая фаза или тяжелая жидкая фаза) начинают перемещаться радиально к внутренней стенке барабана, в то время как менее плотные жидкие фазы (легкая жидкая фаза) скапливаются в центре барабана, образуя предварительную радиальную стратификацию (твердая фаза во внешнем слое, жидкая фаза во внутреннем слое).

II. Стадия центробежного разделения: сочетание радиальной седиментации и осевого потока.

1. Радиальная седиментация: центробежное движение частиц

Движущая сила: центробежная сила \(F_c = m \cdot \omega^2 \cdot r\) (где m — масса частицы, \(\omega\) — угловая скорость барабана, а r — радиальное положение частицы) заставляет частицы твердой фазы двигаться к внутренней стенке барабана, преодолевая вязкое сопротивление жидкой фазы (сопротивление Стокса).

Скорость осаждения: радиальная скорость осаждения частиц \(v_r \propto \frac{(\rho_s - \rho_l) \cdot d^2 \cdot \omega^2 \cdot r}{\mu}\) (пропорциональна разности плотностей, квадрату диаметра частиц и центробежной силе; обратно пропорциональна вязкости жидкости). Для осаждения мелких частиц (например, < 10 мкм) на внутреннюю стенку барабана требуются более высокие скорости вращения или более длительное время пребывания.

2. Осевое течение: ламинарное движение жидкой фазы

Направление потока: Жидкая фаза (включая унесенные неосажденные частицы) течет от загрузочного конца (цилиндрическая секция барабана) к переливному концу (конец цилиндрической секции) под действием осевой разницы давлений, образуя осевой ламинарный поток (число Рейнольдса \(Re < 2000\), чтобы избежать турбулентности, нарушающей эффективность разделения).

Распределение скорости: Осевая скорость жидкой фазы \(v_z\) имеет параболическое распределение вдоль радиального направления (наивысшая в центре, приближающаяся к 0 у внутренней стенки барабана) и тесно связана с толщиной жидкостного кольца в барабане (определяемой высотой переливного порога). Чем тоньше жидкостное кольцо (меньше высота переливного порога), тем выше осевая скорость потока жидкой фазы и тем короче время пребывания.

3. Суперпозиция траекторий движения

Фактическая траектория движения отдельных частиц представляет собой векторный синтез радиальной скорости осаждения \(v_r\) и осевой скорости потока \(v_z\), простирающийся по спирали к концу барабана:

Если частицы завершают радиальное осаждение до достижения переливного отверстия (\(v_r \cdot t \geq \Delta r\), где t — время удержания в жидкой фазе, а \(\Delta r\) — радиальное расстояние от начального положения частицы до внутренней стенки барабана), они удерживаются на внутренней стенке барабана в виде твердой фазы;

Если осаждение неполное, они удаляются вместе с жидкой фазой из переливного отверстия в виде «остатков перелива».

III. Этап выгрузки твердых частиц: осевая транспортировка, осуществляемая за счет разницы скоростей вращения шнека.

1. Дифференциальное движение шнека и барабана

Шнековый конвейер вращается в том же направлении, что и барабан, но скорость вращения шнека \(n_{\text{screw}}\) немного ниже скорости вращения барабана \(n_{\text{drum}}\), с разницей скоростей \(\Delta n = n_{\text{drum}} - n_{\text{screw}} = 5–30 \, \text{об/мин}\).

Разница в скорости создает относительную угловую скорость между лопастями шнека и слоем осадка на внутренней стенке барабана, генерируя осевую толкающую силу (аналогично принципу работы винтового насоса).

2. Осевое движение твердой фазы

Твердые частицы, осевшие на внутренней стенке барабана, образуют осадочный слой, который перемещается вдоль оси барабана к коническому выходному отверстию для шлака с помощью лопастей шнека:

Цилиндрический разрез: Сначала накапливается осадок, и винт начинает толкать;

Коническая секция: внутренний диаметр барабана постепенно уменьшается, осадок дополнительно сжимается и обезвоживается (так называемая «секция сушки»), и в конечном итоге выгружается в виде твердого вещества с низким содержанием влаги.

Контроль времени пребывания: Меньшая разница скоростей приводит к снижению скорости вращения шнека, увеличению времени пребывания твердой фазы в барабане и более тщательному обезвоживанию (например, в сценариях обезвоживания осадка); большая разница скоростей обеспечивает более быструю выгрузку шлака, что подходит для материалов с высоким содержанием твердых частиц (например, при разделении минеральной суспензии).

IV. Стадия перелива жидкости: осевой сброс легкой жидкой фазы.

1. Формирование и расслоение жидкостного кольца

Отделившаяся жидкая фаза (легкая жидкая фаза или прозрачная жидкость) образует внутреннее жидкое кольцо в центральной части барабана, толщина которого определяется высотой переливного порога:

Чем выше переливной порог, тем толще жидкостное кольцо (больше объем жидкой фазы в барабане), тем дольше время удержания жидкой фазы и тем выше точность разделения;

Чем ниже переливной порог, тем тоньше жидкостное кольцо, тем выше производительность, но тем ниже точность разделения.

2. Осевой поток и выход жидкой фазы

Жидкая фаза в жидкостном кольце течет аксиально к переливному отверстию в ламинарном режиме и непрерывно отводится через переливной водослив:

При разделении твердых и жидких фаз прозрачная жидкость (например, сточные воды после очистки) сбрасывается в канализацию;

При жидкостно-жидкостном разделении, если имеются две жидкие фазы (например, расслоение масла и воды), легкая жидкая фаза (масло) отводится через внутренний переливной патрубок, а тяжелая жидкая фаза (вода) — через внешний переливной патрубок (требуется конструкция с двумя переливными водосливами).