L'essence de la déshydratation et de la clarification est la séparation solide-liquide des suspensions ; la déshydratation consiste à séparer la phase liquide de la phase solide, et la clarification à séparer la phase solide de la phase liquide. La concentration consiste à augmenter la concentration de la phase solide dans la suspension, et la classification consiste à diviser les particules de différentes granulométries en deux groupes, les particules supérieures à dkp et les particules inférieures à dkp, en fonction d'une taille critique de particules dkp. La séparation désigne généralement la séparation de deux phases liquides non miscibles. Si les deux phases liquide-liquide sont continues, leur séparation est uniquement liée à leur densité ; si l'une est continue et l'autre dispersée, on parle de séparation d'émulsions. La séparation biphasique des émulsions n'est pas seulement liée à la différence de densité, mais aussi à la taille des gouttelettes de la phase dispersée, à la tension superficielle et à d'autres facteurs, ce qui rend la séparation difficile. La séparation centrifuge est un processus physique, et sa difficulté dépend des propriétés du matériau et des propriétés de séparation de la centrifugeuse. 1. Déshydratation centrifuge
La déshydratation centrifuge peut être réalisée selon deux types : les centrifugeuses filtrantes et les centrifugeuses à sédimentation.
La centrifugeuse filtrante utilise des médias filtrants, tels que des tamis et des grilles, pour retenir les particules solides sur le tamis filtrant sous l'action de la force centrifuge. Le liquide est ensuite évacué à travers le tamis filtrant pour réaliser une séparation solide-liquide. Ce type de machine se caractérise par une faible consommation d'énergie, des gâteaux de filtration lavables et un taux de déshydratation des particules solides élevé. Elle convient aux particules de matériaux présentant une faible différence de densité solide-liquide et une granulométrie de l'ordre du micron, avec une teneur en solides du liquide d'alimentation comprise entre 30 % et 60 %.
Si des particules de matériaux, telles que des cristaux, risquent de se briser pendant le processus de déshydratation, une centrifugeuse à déchargement par racleurs peut être choisie. Si ces particules ne risquent pas de se briser, les centrifugeuses à déchargement par piston, à poussée manuelle et à déchargement centrifuge peuvent être choisies. Outre l'absorption d'eau du matériau lui-même, la performance de déshydratation dépend également du facteur de séparation, du temps de séparation, de l'ouverture des mailles du filtre, de la porosité, de la viscosité du matériau, de la tension superficielle et de l'hydrophobicité du gâteau de filtration, entre autres, de la centrifugeuse.
Pour les particules à faible concentration en solides, à viscosité élevée, à granulométrie fine ou contenant du mycélium amorphe, les centrifugeuses à filtre ne sont généralement pas adaptées. Trop fines, les particules peuvent facilement traverser le filtre et provoquer des fuites de matériau. Un filtre trop fin entraîne une faible hydrophobicité, ce qui diminue la capacité de traitement de la machine et les performances de déshydratation des particules. Le mycélium amorphe et les particules huileuses peuvent facilement obstruer le filtre. Pour ces matériaux, il est recommandé d'utiliser une centrifugeuse à sédimentation sans filtre.
La centrifugeuse à sédimentation exploite la différence de densité entre les phases solide et liquide. Dans le domaine centrifuge, la phase solide a une densité élevée et se dépose sur la paroi interne du tambour de la centrifugeuse. Le sédiment est évacué de la machine par le convoyeur en spirale à l'intérieur du tambour. La phase liquide, de faible densité, tend vers le centre du tambour et s'écoule par l'orifice de trop-plein de la machine pour réaliser la séparation liquide-solide et la déshydratation. Ce type de machine offre un facteur de séparation élevé et ne nécessite aucun filtre. La séparation solide-liquide exploite la différence de densité entre les deux phases. Elle est particulièrement adaptée au mycélium amorphe, aux boues huileuses et aux particules fines à forte viscosité.
Ce modèle ne nécessite pas une teneur élevée en solides dans l'alimentation. La teneur en solides des différents matériaux peut être comprise entre 1 % et 40 % (fraction massique). La taille des particules est de l'ordre du micron ou plus. Cependant, ce type de machine a un faible effet de lavage des sédiments, une consommation énergétique supérieure à celle d'une centrifugeuse filtrante et une déshydratation inférieure à celle d'une centrifugeuse filtrante.
2. Clarification centrifuge
La clarification consiste à éliminer une petite quantité de phase solide d'une grande quantité de phase liquide. Elle est largement utilisée dans les industries pharmaceutique, agroalimentaire, des boissons et autres. La faible teneur en solides et la petite taille des particules rendent nécessaire l'utilisation d'un séparateur à disque ou d'une centrifugeuse tubulaire offrant un facteur de séparation plus élevé. Il est parfois également possible d'utiliser un filtre de précision ou une séparation par membrane.
3. Concentration centrifuge
La concentration peut augmenter la teneur en solides de la suspension. Par exemple, si la teneur en solides de la suspension initiale est de 0,5 % ds (fraction massique, ds étant la matière sèche absolue), elle est augmentée de 3 à 5 % ds par sédimentation gravitaire, décantation centrifuge ou filtration. Ce processus est appelé concentration. La phase liquide est fortement réduite lors de cette opération.
Par exemple, pour la concentration des boues dans les stations d'épuration urbaines : si 100 m³ de boues secondaires d'une teneur en solides de 0,5 % ds sont concentrés à 5 % ds, il faut éliminer 90 µm de liquide de 100 µm de boues secondaires pour atteindre une teneur en solides de 5 % ds, ce qui réduit considérablement le volume de déshydratation des boues. Le modèle et la taille de la machine de déshydratation choisie sont également réduits en conséquence. Les concentrateurs centrifuges couramment utilisés comprennent les centrifugeuses à sédimentation horizontales à déchargement en spirale, les séparateurs de scories à disques et les hydrocyclones, ainsi que les concentrateurs à tamis rotatifs.
4. Classification centrifuge
La classification des particules repose sur les différentes granulométries des particules en suspension, ainsi que sur leurs vitesses de sédimentation. La méthode utilisant différentes vitesses de sédimentation pour diviser les particules en suspension en deux ou plusieurs groupes de particules selon leur granulométrie est appelée classification humide ; la méthode utilisant un milieu gazeux pour la classification des particules est appelée classification sèche.
La classification centrifuge humide est couramment utilisée, notamment les centrifugeuses à sédimentation horizontales à déchargement en spirale. L'orifice de sortie de la spirale de ce type de machine est en forme de rainure transversale, ce qui permet de déplacer axialement la sortie du tuyau d'alimentation de la machine vers l'avant et vers l'arrière pour modifier le temps de sédimentation des particules. En fonction de la différence de densité entre les phases solide et liquide et de la granulométrie critique (dkp) requise pour la classification, le facteur de séparation, la vitesse différentielle et la position de sortie du tuyau d'alimentation peuvent être sélectionnés de manière à ce que les particules supérieures à dkp se déposent sous forme de sédiments et soient évacuées par l'orifice d'évacuation des scories situé à l'extrémité étroite du tambour ; les particules inférieures restent dans la phase liquide et suivent la phase liquide pour être évacuées par l'orifice de trop-plein situé à l'extrémité large du tambour, permettant ainsi une classification continue des particules. Pour une classification efficace, le rapport solide-liquide de la suspension doit être approprié et une quantité adéquate de dispersant doit être ajoutée pendant le processus de classification afin d'éviter l'agglomération des petites particules.
Pour la classification des particules avec un très petit volume de traitement, une centrifugeuse à sédimentation à trois pieds peut être choisie, mais son faible facteur de séparation ne permet pas de classer les particules plus petites.
5. Séparation centrifuge
La séparation centrifuge désigne la séparation biphasique ou triphasique liquide-liquide, liquide-liquide-solide. Cependant, les phases doivent être des systèmes hétérogènes et non miscibles entre elles. Le principe de séparation repose sur l'exploitation de la différence de densité entre les phases. Parmi les plus courantes, on trouve la séparation huile-eau et huile-savon dans le traitement des huiles alimentaires, ainsi que la séparation huile-eau-laitier dans la purification du fioul et des huiles lubrifiantes. Les centrifugeuses utilisées sont des séparateurs de laitier manuels à disques et des centrifugeuses à piston à disques. Pour la séparation huile-eau-laitier dans la purification de l'huile de palme, du goudron de houille et de l'huile d'olive, on utilise principalement des centrifugeuses triphasiques à déchargement en spirale horizontale. Pour la séparation liquide-liquide et liquide-liquide-solide dans les domaines médical, alimentaire et des boissons, on utilise généralement des séparateurs tubulaires en raison de leur faible capacité de traitement.
