Компания Shenzhou Machinery — профессиональный производитель промышленных центрифуг и поставщик центробежных сепараторов в Китае.
Принцип работы центрифуги-декантера
Подача материала: Разделяемые материалы (например, суспензии или эмульсии) непрерывно подаются аксиально через подающую трубу в центр барабана (горизонтальную цилиндрическую полость), вращающегося с высокой скоростью.
Функция центробежного поля: Барабан вращается с высокой скоростью (1500–4500 об/мин), создавая центробежную силу (коэффициент разделения Kc=gω2r, обычно 1500–5000), интенсивность которой может достигать тысячекратной величины силы тяжести. Под действием центробежной силы более плотные частицы (твердая фаза или тяжелая жидкая фаза) оседают у внутренней стенки барабана, в то время как менее плотные жидкие фазы (легкие жидкие фазы) собираются в центре барабана, образуя радиальную расслоенность.
2. Осаждение твердых частиц и шнековая транспортировка
Процесс осаждения: Твердые частицы преодолевают сопротивление жидкой фазы под действием центробежной силы, перемещаясь к внутренней стенке барабана и осаждаясь на ней, образуя слой осадка (например, шлам или кристаллические частицы). Скорость осаждения частиц зависит от центробежной силы, размера частиц, разницы плотностей и вязкости жидкости (расширенное применение закона Стокса).
Дифференциальное движение винта:
Шнековый конвейер вращается в том же направлении, что и барабан, но с другой скоростью (разницей скоростей), при этом шнек обычно вращается немного медленнее, чем барабан.
Разница в скорости создает относительное движение между шнеком и слоем осадка на внутренней стенке барабана. Лопасти шнека проталкивают осадок вдоль оси барабана к коническому выходному отверстию для шлака (направление проталкивания соответствует оси барабана).
Контроль времени пребывания: Меньшая разница скоростей означает более длительное время пребывания твердых частиц в барабане, что приводит к более тщательному разделению; большая разница скоростей увеличивает скорость выгрузки шлака, что подходит для материалов с высоким содержанием твердых частиц.
3. Перелив и сброс жидкости
Разделение легкой жидкой фазы: Разделенная жидкая фаза (легкая жидкость или прозрачная жидкость) образует внутреннее жидкое кольцо, которое течет вдоль оси барабана к цилиндрическому концевому переливному водосливу и непрерывно выходит через переливной водослив (с регулируемой высотой).
Контроль толщины слоя жидкости: высота переливного порога определяет толщину жидкостного кольца (т. е. объем жидкости в барабане). Меньшая толщина означает меньшее время пребывания жидкости в барабане, что подходит для быстрого разделения; большая толщина обеспечивает более тонкое разделение.
II. Анализ ключевых физических механизмов
1. Движущая сила центробежной седиментации
Коэффициент разделения Kc: напрямую отражает интенсивность центробежной силы; большее значение Kc приводит к более быстрому осаждению частиц. Например:
При обработке мелких частиц (например, 1–10 мкм) или материалов с небольшими различиями в плотности (например, смесей масла и воды) необходимо увеличить скорость вращения для повышения коэффициента Kc.
Для преодоления сопротивления жидкости при работе с высоковязкими материалами (такими как полимерные суспензии) необходима более высокая центробежная сила.
2. Роль разницы в скорости вращения шнека
Источник энергии для выгрузки шлака: Относительное движение, вызванное разницей скоростей, позволяет лопастям шнека оказывать осевое усилие на слой осадка, преодолевая трение между осадком и внутренней стенкой барабана (связанное с вязкостью материала и уплотнением твердых частиц).
Крутящий момент и энергопотребление: Большая разница скоростей увеличивает скорость вращения шнека, но при этом возрастают крутящий момент и энергопотребление; чрезмерно малая разница скоростей может привести к накоплению осадка и даже засорению барабана.
3. Гидродинамические характеристики
Ламинарный поток: Жидкая фаза в барабане течет в ламинарном режиме (низкое число Рейнольдса), что снижает влияние турбулентности на эффективность разделения.
Распределение осевой скорости: Осевая скорость потока жидкой фазы в барабане должна соответствовать скорости осаждения твердых частиц, чтобы избежать уноса и выноса неосажденных частиц жидкой фазой (т. е. явления «короткого замыкания»).
III. Принципиальные различия в различных сценариях разделения
1. Разделение твердой и жидкой фаз (сценарий с одной жидкой фазой)
Типичный процесс:
Твердая фаза (например, частицы осадка) оседает на внутренней стенке барабана, образуя слой осадка;
Шнек проталкивает осадок к коническому выходному отверстию для шлака, а обезвоженная твердая фаза (с пониженным содержанием влаги) выгружается;
Прозрачная жидкость (жидкая фаза) выводится через переливное отверстие.
Ключевой аспект управления: баланс между производительностью и эффективностью разделения путем регулирования скорости вращения (влияющей на эффективность осаждения) и разницы скоростей (влияющей на скорость выгрузки шлака). Например, для шлама с высоким содержанием твердых частиц необходимо снизить скорость вращения и увеличить разницу скоростей, чтобы избежать засорения барабана.
2. Жидкостно-жидкостное разделение (разделение на две жидкие фазы, например, разделение нефти и воды).
Механизм расслоения: из-за разницы в плотности (ρтяжелая жидкость > ρлегкая жидкость) две несмешивающиеся жидкости под действием центробежной силы образуют внутреннее и внешнее жидкие кольца:
Тяжелая жидкая фаза (например, сточные воды) находится у внутренней стенки барабана, а легкая жидкая фаза (например, масло) — ближе к центру.
Конструкция с двумя переливными отверстиями: тяжелая жидкая фаза отводится через внешнее переливное отверстие, а легкая жидкая фаза — через внутреннее. Точность разделения зависит от разницы плотности между двумя жидкими фазами и скорости вращения (меньшая разница плотности требует большей скорости вращения).
3. Трехфазное разделение жидкость-твердое тело-жидкость (например, при производстве биодизеля)
Трехфазная стратификация:
Наиболее тяжелая фаза (твердая фаза, например, остатки катализатора) оседает на внутренней стенке барабана и выгружается шнеком;
Промежуточная фаза (тяжелая жидкая фаза, например, глицерин) и легкая фаза (легкая жидкая фаза, например, метиловый эфир) образуют два жидких кольца, которые отводятся через разные переливные отверстия.
Оптимизация конструкции: Для обеспечения полного разделения трех фаз и предотвращения смешивания необходимы устройства для сбора промежуточной жидкой фазы или корректировка положения переливных водосливов.
IV. Ключевые эксплуатационные параметры, влияющие на принцип работы.
Скорость вращения (коэффициент разделения): определяет интенсивность центробежной силы, непосредственно влияя на скорость осаждения частиц и прозрачность жидкости.
Разница скоростей: регулирует время удержания твердой фазы и эффективность удаления шлака, требуя динамической регулировки в зависимости от вязкости материала и содержания твердых частиц.
Скорость подачи: Чрезмерно высокая скорость подачи приводит к недостаточному времени удержания жидкости, в результате чего неосадочные частицы выгружаются вместе с чистой жидкостью, что снижает эффективность разделения.
Добавление флокулянтов: Для мелкодисперсных материалов (например, <1 мкм) необходимо добавлять флокулянты для усиления агломерации частиц, увеличения эффективного размера частиц и повышения скорости осаждения.
V. Типичные примеры применения принципа
Очистка сточных вод: осадок с содержанием влаги 95% центрифугируется для осаждения, а шнек выталкивает глинистую массу с содержанием влаги 75–85%. Прозрачная жидкость используется повторно или подвергается дальнейшей очистке.
Обезвоживание сырой нефти: Использование разницы в плотности нефти, воды и соли (вода + соль > нефть) и высокая скорость вращения (например, 3000 об/мин) приводят к тому, что водная фаза оседает на внутренней стенке барабана, а нефтяная фаза переливается из центра, обеспечивая обессоливание и обезвоживание.
Благодаря вышеописанным принципам, декантерная центрифуга обеспечивает непрерывное и эффективное многофазное разделение. Ее главное преимущество заключается в интеграции центробежного осаждения и механической транспортировки в одном устройстве, что обеспечивает баланс между производительностью и точностью разделения, и находит широкое применение в промышленном извлечении твердых и жидких фаз, а также в сценариях циркуляции ресурсов.
