غربال دوار

تُستخدم المناخل الدوارة في صناعة النفايات البلدية لفرز وتصنيف أحجام النفايات الصلبة. ^{[ 5 ]} إضافةً إلى ذلك، يمكن استخدامها لتحسين استخلاص الوقود من النفايات الصلبة. ويتم ذلك عن طريق إزالة المواد غير العضوية، مثل الرطوبة والرماد، من الجزء الخفيف المصنف بالهواء والمفصول عن النفايات الصلبة المقطعة، مما يزيد من جودة الوقود الناتج. ^{[ 6 ]} كما تُستخدم المناخل الدوارة في معالجة مياه الصرف الصحي. في هذا التطبيق، تترسب المواد الصلبة من التدفق الداخل على شبكة المنخل، ويدور الأسطوانة بمجرد وصول السائل إلى مستوى معين. ويُغمر الجزء النظيف من المنخل في السائل، بينما تسقط المواد الصلبة المحتجزة على ناقل، حيث تُعالج بشكل إضافي قبل إزالتها. ^{[ 7 ]}

تُستخدم المناخل الدوارة أيضًا لفرز المواد الخام واستخلاص المعادن القيّمة. يعمل المنخل على فصل المواد الدقيقة التي لا تتناسب أحجامها مع حجم المواد المستخدمة في مرحلة التكسير. كما يساعد على التخلص من جزيئات الغبار التي قد تؤثر سلبًا على أداء الآلات اللاحقة في العمليات اللاحقة. ^{[ 8 ]}

تُستخدم المناخل الدوارة أيضًا في عمليات فرز السماد العضوي كتقنية لتحسين جودته. فهي تنتقي السماد العضوي ذي الأحجام المختلفة للتخلص من الملوثات وبقايا السماد غير المكتملة، مما يُنتج منتجات نهائية متعددة الاستخدامات. ^{[ 9 ]} إضافةً إلى ذلك، تستخدم الصناعات الغذائية المناخل الدوارة لفرز المواد الغذائية الجافة ذات الأحجام والأشكال المختلفة. تُساعد عملية التصنيف على تحقيق معدل نقل الكتلة أو الحرارة المطلوب، وتجنب المعالجة غير الكافية أو الزائدة. كما تُستخدم أيضًا لفرز المواد الغذائية الصغيرة جدًا، مثل البازلاء والمكسرات، التي تتميز بقوتها الكافية لمقاومة قوة دوران الأسطوانة. ^{[ 10 ]}

تُعدّ المناخل الأسطوانية أرخص تكلفةً في الإنتاج من المناخل الاهتزازية. وهي خالية من الاهتزازات، مما يُقلل الضوضاء. كما أنها أكثر متانةً ميكانيكياً من المناخل الاهتزازية، ما يسمح لها بالبقاء لفترة أطول تحت الضغط الميكانيكي. ^{[ 11 ] [ 13 ]}

مع ذلك، يمكن غربلة كمية أكبر من المواد دفعة واحدة باستخدام الغربال الاهتزازي مقارنةً بالغربال الأسطواني. ويعود ذلك إلى أن جزءًا واحدًا فقط من مساحة الغربال الأسطواني يُستخدم أثناء عملية الغربلة، بينما يُستخدم كامل مساحة الغربال الاهتزازي. كما أن الغرابيل الأسطوانية أكثر عرضةً للانسداد والتكتل، خاصةً عند استخدام فتحات غربال مختلفة الأحجام على التوالي. ^{[ 11 ]} يحدث الانسداد عندما تعلق المواد الأكبر من الفتحة أو تنحشر فيها، مما قد يؤدي إلى دفعها عبرها، وهو أمر غير مرغوب فيه. ^{[ 13 ]} أما التكتل فيحدث عندما تتكتل المواد الرطبة وتلتصق بسطح الغربال. ^{[ 14 ]} تقلل الاهتزازات في الغرابيل الاهتزازية من خطر الانسداد والتكتل. ^{[ 14 ]}

الغربال الشبكي عبارة عن شبكة أو مجموعة من القضبان المعدنية المتوازية مثبتة في إطار ثابت مائل. يكون ميل الإطار ومسار المواد عادةً موازيين لطول القضبان. قد يصل طول القضيب إلى 3 أمتار، وتتراوح المسافة بين القضبان من 50 إلى 200  مليمتر. تُستخدم الغرابيل الشبكية عادةً في التعدين للحد من حجم المواد التي تمر إلى نظام النقل أو مرحلة تقليل الحجم.

تُفضّل المناخل الأسطوانية على المناخل الدوارة عندما يكون معدل التغذية المطلوب مرتفعًا. كما أنها تُصدر ضوضاء أقل من المناخل الدوارة وتتطلب مساحة رأسية أقل. ويُسهل فصل المواد اللزجة واللزجة باستخدام المناخل الأسطوانية مقارنةً بالمناخل الدوارة. ^{[ 11 ]}

تستطيع المناخل المنحنية فصل الجسيمات الدقيقة (200-3000  ميكرومتر) بكفاءة أعلى من المناخل الدوارة. مع ذلك، قد يحدث تكتل إذا كان حجم الجسيمات أقل من 200  ميكرومتر ^{[ 15 ]} ، مما يؤثر على كفاءة الفصل. كما أن معدل الفرز في المناخل المنحنية أعلى بكثير من المناخل الدوارة، نظرًا لاستخدام كامل مساحة سطح المنخل ^{[ 16 ]} . علاوة على ذلك، في المناخل المنحنية، يتدفق المادة المغذية بالتوازي مع الفتحات، مما يسمح بتفتيت أي مواد سائبة من السطح الخشن للمواد الأكبر حجمًا، وبالتالي مرور المزيد من الجسيمات الأصغر حجمًا ^{[ 17 ] .}

 يُمكن فصل الجسيمات ذات الأحجام الدقيقة (أكبر من 40 ميكرومترًا) باستخدام الفاصل الدوراني أكثر من الغربال الأسطواني. ^{[ 11 ]} يُمكن تعديل حجم الفاصل الدوراني من خلال صوانٍ قابلة للإزالة، بينما يكون الغربال الأسطواني ثابتًا عادةً. ^{[ 18 ]} يُمكن للفواصل الدورانية أيضًا فصل المواد الجافة والرطبة مثل الغربال الأسطواني. ومع ذلك، من الشائع أن تفصل الفواصل الدورانية إما المواد الجافة أو الرطبة فقط. وذلك لأن هناك معايير مختلفة لتحقيق أفضل كفاءة فصل للغربال الدوراني. لذلك، يلزم وجود فاصلين لفصل المواد الجافة والرطبة، بينما يكفي غربال أسطواني واحد للقيام بالمهمة نفسها. ^{[ 17 ]}

من أهم خصائص العملية التي تهمنا معدل الفرز في الغربال الدوار. يرتبط معدل الفرز باحتمالية مرور الجسيمات الصغيرة عبر فتحات الغربال عند اصطدامها. ^{[ 6 ]} وبافتراض أن الجسيم يسقط عموديًا على سطح الغربال، فإن احتمالية المرور، P، تُعطى ببساطة بالمعادلة ^{[ 19 ].}

${\displaystyle P=(1-{\dfrac {d}{a}})^{2}Q\,}$

1

أين${\displaystyle d}$يشير إلى حجم الجسيمات،${\displaystyle a}$يشير إلى حجم الفتحة (القطر أو الطول) و${\displaystyle Q}$يشير إلى نسبة مساحة الفتحة إلى مساحة الشاشة الكلية. تنطبق المعادلة ( 1 ) على كل من الفتحات المربعة والدائرية. أما بالنسبة للفتحات المستطيلة، فتصبح المعادلة كما يلي: ^{[ 19 ]}

${\displaystyle P=(1-{\dfrac {d}{a}})(1-{\dfrac {d}{A}})Q\,}$

2

أين${\displaystyle a}$و${\displaystyle A}$يشير ذلك إلى البعد المستطيل للفتحة. بعد تحديد احتمال مرور مجموعة من الجسيمات ذات حجم معين عبر الشاشة، يتم حساب نسبة الجسيمات المتبقية في الشاشة.${\displaystyle V}$يمكن العثور عليها باستخدام: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle V(n)=(1-P)^{n}\,}$

3

أين${\displaystyle n}$يمثل عدد مرات اصطدام الجسيمات بالشاشة. بعد افتراض أن عدد مرات الاصطدام في وحدة الزمن،${\displaystyle \sigma _{t}}$، ثابت، تصبح المعادلة ( 3 ) كما يلي: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle V(t)=(1-P)^{\sigma _{t}^{t}}\,}$

4

هناك طريقة بديلة للتعبير عن نسبة الجسيمات المتبقية في الشاشة وهي من حيث وزن الجسيمات، والذي يتم تقديمه على النحو التالي: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle V(t)={\dfrac {W(t)}{W(0)}}\,}$

5

أين${\displaystyle W(t)}$يمثل وزن مجموعة من الجسيمات ذات حجم معين المتبقية في الشاشة في أي وقت معين${\displaystyle t}$و${\displaystyle W(0)}$يمثل الوزن الأولي للعلف. لذلك، من المعادلتين ( 4 ) و( 5 )، يمكن التعبير عن معدل الفرز على النحو التالي: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle {\dfrac {dW(t)}{dt}}=\sigma _{t}ln(1-P)W(t)\,}$

6

يمكن حساب كفاءة الفرز باستخدام وزن الكتلة بالطريقة التالية E=c(fu)(1-u)(cf)/f(cu)^2(1-f)

إلى جانب معدل الفرز، تُعدّ كفاءة فصل الغربال الدوار خاصية أخرى مهمة. بافتراض أن دالة توزيع حجم الجسيمات الأصغر من الحجم المطلوب إزالتها،${\displaystyle f(x)}$، وهو أمر معروف، الاحتمال التراكمي لجميع الجسيمات التي تتراوح من${\displaystyle x_{0}}$ل${\displaystyle x_{m}}$التي يتم فصلها بعد${\displaystyle n}$الاصطدامات هي ببساطة: ^{[ 19 ]}

${\displaystyle P(x_{0},x_{m})=\int _{x_{0}}^{x_{m}}f(x)\cdot (1-(1-p)^{n})\,dx}$

7

علاوة على ذلك، يمكن التعبير عن النسبة العددية الإجمالية للجسيمات ضمن نطاق الحجم هذا في التغذية على النحو التالي: ^{[ 19 ]}

${\displaystyle F({x_{0}},{x_{m}})=\int \limits _{x_{0}}^{x_{m}}f(x)\ dx}$

8

لذلك، يمكن تحديد كفاءة الفصل، والتي تُعرف بأنها نسبة جزء الجسيمات التي تمت إزالتها إلى إجمالي جزء الجسيمات في التغذية، على النحو التالي: ^{[ 19 ]}

${\displaystyle E(x_{0},x_{m})={\frac {P(x_{0},x_{m})}{F(x_{0},x_{m})}}}$

9

هناك عدد من العوامل التي تؤثر على كفاءة الفصل في الغربال الدوار، والتي تشمل: ^{[ 20 ]}

1. سرعة دوران غربال التروميل
2. التغذية بواسطة
3. مدة الإقامة في الأسطوانة الدوارة
4. زاوية ميل الطبل
5. عدد وحجم فتحات الشاشة
6. خصائص العلف

يُفترض في المعادلة المعروضة في هذا القسم لحساب زمن بقاء المواد في غربال دوار افتراضان مبسطان. أولًا، يُفترض عدم انزلاق الجسيمات على الغربال. ^{[ 6 ]} إضافةً إلى ذلك، فإن الجسيمات المنفصلة عن الغربال تسقط سقوطًا حرًا. عند دوران الأسطوانة، تبقى الجسيمات ملامسةً للجدار الدوار بفعل قوة الطرد المركزي. ^{[ 6 ]} عندما تقترب الجسيمات من أعلى الأسطوانة، تتغلب قوة الجاذبية المؤثرة في الاتجاه القطري على قوة الطرد المركزي ، مما يؤدي إلى سقوط الجسيمات من الأسطوانة بحركة شلالية. ^{[ 2 ]} يوضح الشكل 6 مركبات القوة المؤثرة على الجسيم عند نقطة الانطلاق.

يمكن تحديد زاوية المغادرة، α، من خلال موازنة القوى، والتي يتم تحديدها على النحو التالي: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \alpha ={\cos ^{-1}}({\frac {r{\cdot }\omega _{t}^{2}}{g{\cdot }\cos \beta }})}$

10

أين${\displaystyle r}$نصف قطر الأسطوانة،${\displaystyle \omega _{t}}$هي السرعة الدورانية بالراديان في الثانية،${\displaystyle g}$هو التسارع الناتج عن الجاذبية و${\displaystyle \beta }$هي زاوية ميل الأسطوانة. وبالتالي، يمكن تحديد زمن بقاء الجسيمات في الشاشة الدوارة من المعادلة التالية: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle t_{r}={\frac {L\cdot (360-4\alpha +229.2\cdot \cos \alpha \cdot \sin \alpha )}{48\cdot {n}\cdot {r}\cdot \tan \beta \cdot \cos \alpha \cdot (\sin \alpha )^{2}}}}$

11

أين${\displaystyle L}$يشير إلى طول الشاشة،${\displaystyle n}$يشير ذلك إلى دوران الشاشة بوحدة عدد الدورات في الدقيقة و${\displaystyle \alpha }$يشير إلى زاوية المغادرة بالدرجات.

بالنظر إلى أن أحجام شبكة الأسطوانة الدوارة أكبر من أحجام الجسيمات كما هو موضح في الشكل 7، فإن سرعة حركة الجسيمات${\displaystyle V}$يمكن تقسيمها إلى مركبتين للسرعة تتكونان من المركبة الرأسية${\displaystyle V_{y}}$والمكون الأفقي${\displaystyle V_{x}}$. يدل على${\displaystyle \theta }$لكي تكون الزاوية بين حركة الجسيم ومكونه الرأسي، يمكن الآن كتابة السرعات الرأسية والأفقية على النحو التالي:

${\displaystyle V_{y}=V\cos \theta }$

12

${\displaystyle V_{x}=V\sin \theta }$

13

متى${\displaystyle V_{y}>V_{x}}$تتسرب الجسيمات عبر الشبكة الموجودة في الأسطوانة الدوارة. ومع ذلك، إذا${\displaystyle V_{y}<V_{x}}$تُحتجز الجزيئات داخل الأسطوانة الدوارة. أما الحبيبات الأكبر حجماً فتُحتجز داخل غربال التروميل حتى يتم الوصول إلى الفتحة المطلوبة، وتتبع نفس سلوك الجزيئات.

مع اختلاف السرعات الدورانية، يتباين تأثير كفاءة الفرز ومعدل الإنتاج تبعاً لأنواع آليات الحركة المختلفة. وتشمل هذه الآليات الانهيار، والتكسير، والطرد المركزي. ^{[ 22 ]}

تراجع

يحدث هذا عندما تكون سرعة دوران الأسطوانة منخفضة. ترتفع الجزيئات قليلاً من قاع الأسطوانة قبل أن تتدحرج إلى أسفل السطح الحر كما هو موضح في الشكل 8. ولأن حبيبات الترشيح الأصغر حجماً فقط هي التي يمكن غربلتها بالقرب من جدار جسم الغربال الدوار، فإن هذا يؤدي إلى انخفاض كفاءة الغربلة.

إعتام عدسة العين

مع ازدياد سرعة الدوران، يتحول الانهيار إلى حركة انسيابية حيث تنفصل الجزيئات بالقرب من أعلى الأسطوانة الدوارة كما هو موضح في الشكل 9. تتجمع الحبيبات الأكبر حجمًا بالقرب من السطح الداخلي نتيجة لتأثير حبة الجوز البرازيلية ، بينما تبقى الحبيبات الأصغر حجمًا بالقرب من سطح الغربال، مما يسمح بمرور حبيبات الترشيح الأصغر حجمًا. ^{[ 3 ]} تُولّد هذه الحركة تدفقًا مضطربًا للجزيئات، مما يؤدي إلى كفاءة غربلة أعلى مقارنةً بالانهيار.

الطرد المركزي

مع ازدياد سرعة الدوران، تتحول الحركة الشلالية إلى حركة طرد مركزي، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الفرز. ويعود ذلك إلى التصاق الجسيمات بجدار الأسطوانة الدوارة بفعل قوى الطرد المركزي، كما هو موضح في الشكل 10.

بحسب أوتينو وخاخار ^{[ 22 ]،} فإن زيادة معدل تدفق الجسيمات المغذية تؤدي إلى انخفاض كفاءة الفرز. ولا يُعرف الكثير عن سبب حدوث ذلك، إلا أنه يُقترح أن هذا التأثير يتأثر بسماكة حبيبات المرشح المعبأة في جسم الغربال الدوار.

عند معدلات تدفق تغذية عالية، يمكن غربلة الجزيئات الأصغر حجمًا في الطبقة السفلية من السرير المعبأ عبر فتحات محددة، بينما تلتصق الجزيئات الصغيرة المتبقية بالجزيئات الأكبر حجمًا. من ناحية أخرى، يسهل على الجزيئات الأصغر حجمًا المرور عبر سمك الحبيبات في نظام الغربال الدوار عند معدلات تغذية منخفضة.

زيادة مساحة المادة المعرضة للغربلة تسمح بترشيح المزيد من الجسيمات. لذا، فإن الخصائص التي تزيد من مساحة السطح ستؤدي إلى كفاءة غربلة ومعدل إنتاج أعلى بكثير. ويمكن زيادة مساحة السطح الأكبر عن طريق

^{[ 12 ]}

• زيادة طول وقطر الأسطوانة
• زيادة حجم الفتحات وعددها
• تقليل عدد الفجوات/المساحة بين الفتحات
• استخدام قضبان الرفع لزيادة انتشار الجزيئات

عند تصميم الغربال الدوار، ينبغي مراعاة أن زيادة زاوية الميل تؤدي إلى زيادة معدل إنتاج الجسيمات. وتعود هذه الزيادة إلى ارتفاع سرعة الجسيمات.${\displaystyle V}$كما هو موضح في الشكل 7. إلا أن ذلك يأتي على حساب انخفاض كفاءة الفرز. من ناحية أخرى، سيؤدي تقليل زاوية الميل إلى زيادة زمن بقاء الجسيمات داخل نظام الغربال الدوار، مما يزيد من كفاءة الفرز.

بما أن كفاءة الغربلة تتناسب طرديًا مع طول الغربال الدوار، فإنه يلزم استخدام غربال دوار أقصر بزاوية ميل أصغر لتحقيق كفاءة غربلة مُرضية. يُقترح ألا تقل زاوية الميل عن درجتين، لأن الكفاءة ومعدل الإنتاج غير معروفين بعد هذه النقطة. توجد ظاهرة عند زوايا ميل أقل من درجتين، حيث أنه في ظل ظروف تشغيل معينة، يؤدي تقليل زاوية الميل إلى زيادة عمق طبقة الغربلة، مما ينتج عنه انخفاض في كفاءة الغربلة. ومع ذلك، فإنه يؤدي في الوقت نفسه إلى زيادة زمن بقاء المواد، مما ينتج عنه زيادة في كفاءة الغربلة. من غير المؤكد أي التأثيرين سيكون أكثر هيمنة عند زوايا ميل أقل من درجتين. ^{[ 3 ]}