Оседание

Процесс, при котором твердые частицы оседают на дно жидкости и образуют осадок Пруд-отстойник для частиц железа на гидротехнических сооружениях

Осаждение - это процесс, при котором твердые частицы оседают на дно жидкости и образуют осадок. Частицы, на которые действует сила, вызванная либо силой тяжести, либо центробежным движением, будут стремиться двигаться равномерно в направлении, создаваемом этой силой. В случае осаждения под действием силы тяжести это означает, что частицы будут стремиться падать на дно емкости, образуя суспензию у основания емкости.

Оседание - важная операция во многих приложениях, таких как горнодобывающая промышленность, очистка сточных вод, биология, космос пропеллент Возжигание и черпание.

• 1 Физика
  • 1.1 Сопротивление одиночной частицы
    • 1.1.1 Сопротивление Стокса
    • 1.1.2 Ньютоновское сопротивление
    • 1.1.3 Переходное сопротивление
  • 1.2 Затруднение оседания
• 2 Приложения
  • 2.1 Анализ осажденных твердых тел
• 3 См. Также
• 4 Ссылки
• 5 Внешние ссылки

Ползучий поток мимо сферы: линии тока, сила сопротивления F d и сила тяжести F g.

Для осаждения частиц, которые рассматриваются отдельно, то есть разбавленных растворов частиц, на любую частицу действуют две основные силы. Первичная сила - это приложенная сила, такая как сила тяжести, и сила сопротивления, которая возникает из-за движения частицы через текучую среду. На приложенную силу обычно не влияет скорость частицы, в то время как сила сопротивления является функцией скорости частицы.

Для покоящейся частицы не будет проявляться сила сопротивления, которая заставляет частицу ускоряться из-за приложенной силы. Когда частица ускоряется, сила сопротивления действует в направлении, противоположном движению частицы, замедляя дальнейшее ускорение, в отсутствие других сил сопротивление прямо противоположно приложенной силе. По мере увеличения скорости частицы в конечном итоге сила сопротивления и приложенная сила будут примерно равными, не вызывая дальнейшего изменения скорости частицы. Эта скорость известна как конечная скорость, скорость осаждения или скорость падения частицы. Это легко измерить, исследуя скорость падения отдельных частиц.

На конечную скорость частицы влияют многие параметры, то есть все, что изменит сопротивление частицы. Следовательно, конечная скорость наиболее заметно зависит от размера зерна, формы (округлости и сферичности) и плотности зерен, а также от вязкости и плотности жидкости.

сопротивление одиночной частицы

сопротивление Стокса

Безразмерная сила в зависимости от числа Рейнольдса для сферических частиц

Для разбавленных суспензий закон Стокса предсказывает скорость осаждения маленькие шарики в жидкости, будь то воздух или вода. Это происходит из-за силы вязких сил на поверхности частицы, обеспечивающей большую часть тормозящей силы. Закон Стокса находит множество применений в естествознании и определяется выражением:

$w\; =\; 2\; (\rho \; p\; -\; \rho \; f)\; gr\; 2\; 9\; \mu \; \{\backslash \; displaystyle\; w\; =\; \{\backslash \; frac\; \{2\; (\backslash \; rho\; \_\; \{p\})\; -\; \backslash \; rho\; \_\; \{f\})\; gr\; ^\; \{2\}\}\; \{9\; \backslash \; mu\}\}\}$

где w - скорость осаждения, ρ - плотность (нижние индексы p и f указывают на частицу и жидкость соответственно), g - ускорение свободного падения, r - радиус частицы, а μ - динамическая вязкость жидкости.

Закон Стокса применяется, когда число Рейнольдса, Re, частицы меньше 0,1. Экспериментально установлено, что закон Стокса выполняется в пределах 1% для $R\; e\; \le \; 0,1\; \{\backslash \; displaystyle\; Re\; \backslash \; leq\; 0,1\}$, в пределах 3% для $R\; e\; \le \; 0,5\; \{\backslash \; displaystyle\; Re\; \backslash \; leq\; 0,5\}$и в пределах 9% $R\; e\; \le \; 1,0\; \{\backslash \; displaystyle\; Re\; \backslash \; leq\; 1.0\}$. С увеличением числа Рейнольдса закон Стокса начинает нарушаться из-за возрастающей важности инерции жидкости, что требует использования эмпирических решений для расчета сил сопротивления.

Ньютоновское сопротивление

Определение коэффициента сопротивления, $C\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{d\}\}$как отношение сила, испытываемая частицей, деленная на ударное давление жидкости, устанавливается коэффициент, который можно рассматривать как передачу имеющейся силы жидкости в сопротивление. В этой области инерция ударной жидкости отвечает за передачу большей части силы частице.

$С\; d\; =\; F\; d\; 1\; 2\; \rho \; е\; U\; 2\; A\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{d\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{F\_\; \{d\}\}\; \{\{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\}\; \backslash \; rho\; \_\; \{f\}\; U\; ^\; \{2\}\; A\}\}\}$

Для сферической частицы в режиме Стокса это значение не является постоянным, однако в режиме ньютоновского сопротивления сопротивление шара может быть аппроксимировано константой 0,44. Это постоянное значение означает, что эффективность передачи энергии от жидкости к частице не зависит от скорости жидкости.

Таким образом, конечная скорость частицы в ньютоновском режиме снова может быть получена путем приравнивания силы сопротивления к приложенной силе, в результате чего получается следующее выражение

$w\; =\; 2,46\; (\; (\rho \; p\; -\; \rho \; f)\; gr\; \rho \; f)\; 1\; 2.\; \{\backslash \; displaystyle\; w\; =\; 2,46\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{(\backslash \; rho\; \_\; \{p\}\; -\; \backslash \; rho\; \_\; \{f\})\; gr\}\; \{\backslash \; rho\; \_\; \{f\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\; 2\}\}.\}$

Переходное сопротивление

В промежуточной области между стоксовым сопротивлением и ньютоновским сопротивлением существует переходный режим, в котором аналитическое решение проблемы падающей сферы становится проблематичным. Чтобы решить эту проблему, используются эмпирические выражения для расчета сопротивления в этой области. Одним из таких эмпирических уравнений является уравнение Шиллера и Науманна, и оно может быть справедливым для $0,2\; \le \; R\; e\; \le \; 1000\; \{\backslash \; displaystyle\; 0,2\; \backslash \; leq\; Re\; \backslash \; leq\; 1000\}$:

$F\; \rho \; f\; U\; 2\; A\; =\; 12\; R\; e\; (\; 1\; +\; 0,15\; R\; e\; 0,687).\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{F\}\; \{\backslash \; rho\; \_\; \{f\}\; U\; ^\; \{2\}\; A\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{12\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{Re\}\}\}\; \backslash \; left\; (1\; +\; 0,15\; \backslash \; mathrm\; \{Re\}\; ^\; \{0.687\}\; \backslash \; right).\}$

Затрудненное осаждение

Стоксовое, переходное и ньютоновское осаждение описывают поведение одиночной сферической частицы в бесконечной жидкости, известное как свободное осаждение. Однако у этой модели есть ограничения в практическом применении. Альтернативные соображения, такие как взаимодействие частиц в жидкости или взаимодействие частиц со стенками контейнера, могут изменить характер осаждения. Оседание, в котором эти силы действуют в значительной степени, известно как затрудненное осаждение. Впоследствии полуаналитические или эмпирические решения могут использоваться для выполнения значимых расчетов затрудненного оседания.

Системы подачи твердого газа используются во многих отраслях промышленности, например, в сухих каталитических реакторах, отстойниках, пневматической транспортировке твердых частиц и др. Очевидно, что на промышленных предприятиях правило сопротивления не простое, как если бы одна сфера находилась в неподвижной жидкости. Однако эти знания показывают, как сопротивление ведет себя в более сложных системах, которые разрабатываются и изучаются инженерами с применением эмпирических и более сложных инструментов.

Например, отстойники резервуары используются для отделения твердых частиц и / или нефти от другой жидкости. В пищевая промышленность овощ измельчается и помещается в отстойник с водой. Масло всплывает на поверхность, а затем собирается. При очистке воды и сточных вод водоочистка перед отстаиванием часто добавляют флокулянт для образования более крупных частиц, которые быстро осаждаются в отстойнике или пластинчатом отстойнике, оставляя воду с более низкой мутностью.

В виноделии для этого процесса во французском языке используется термин дебурбаж. Этот этап обычно происходит при производстве белого вина перед началом ферментации.

Анализ оседающих твердых веществ

Оседающих твердых веществ - это твердые частицы, которые осаждаются из неподвижной жидкости. Оседающие твердые вещества могут быть количественно определены для суспензии с помощью конуса Имхоффа. Стандартный конус Имхоффа из прозрачного стекла или пластика вмещает один литр жидкости и имеет калиброванную маркировку для измерения объема твердых частиц, накопившихся на дне конической емкости после осаждения в течение одного часа. Стандартизованная процедура конуса Имхоффа обычно используется для измерения взвешенных твердых частиц в сточных водах или ливневых стоках. Простота метода делает его популярным для оценки качества воды. Для численного измерения стабильности взвешенных твердых частиц и прогнозирования агломерации и седиментации обычно анализируется дзета-потенциал. Этот параметр указывает на электростатическое отталкивание между твердыми частицами и может использоваться для прогнозирования того, произойдет ли агрегирование и осаждение с течением времени.

Измеряемая проба воды должна быть репрезентативной для всего потока. Образцы лучше всего собирать из выпускного отверстия, падающего из трубы или через водослив, потому что образцы, снятые с верхней части проточного канала, могут не улавливать более крупные твердые частицы с высокой плотностью, движущиеся по дну канала. Ведро для отбора проб интенсивно перемешивают, чтобы равномерно повторно суспендировать все собранные твердые частицы непосредственно перед заливкой объема, необходимого для заполнения конуса. Заполненный конус немедленно помещают в стационарную стойку для выдержки, чтобы обеспечить спокойное осаждение. Стойку следует размещать вдали от источников тепла, включая прямые солнечные лучи, которые могут вызвать токи внутри конуса из-за изменений тепловой плотности жидкого содержимого. После 45 минут осаждения конус частично поворачивается вокруг своей оси симметрии ровно настолько, чтобы сместить любой осевший материал, приставший к стороне конуса. Наблюдают и измеряют накопившийся осадок через пятнадцать минут, после одного часа полного осаждения.

• уравнение сопротивления
• дзета-потенциал - электрокинетический потенциал в коллоидных дисперсиях
• седиментация - Тенденция к осаждению частиц в суспензии
• Отстойник
• Суспензия (химический состав) - Гетерогенная смесь твердых частиц, диспергированных в среде
• Общее количество взвешенных твердых частиц - Параметр качества воды

На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Расчетом.

• Методология осажденных твердых тел
• Калькулятор конечной скорости по закону Стокса