Sedimentaationopeus

Sedimentaationopeus tarkoittaa nopeutta, jolla suspensiossa tai lietteessä olevat hiukkaset laskeutuvat painovoiman tai keskipakovoimien vaikutuksesta. Kun hiukkaset suspendoidaan nestemäiseen väliaineeseen, niillä on taipumus laskeutua painovoiman tai sentrifugien kaltaisissa koneissa käytettyjen keskipakovoimien vuoksi. Nopeus, jolla tämä tapahtuu, eli sedimentaationopeus, vaihtelee useiden tekijöiden mukaan, mukaan lukien hiukkasten koko, tiheys, muoto ja nesteen viskositeetti.

Sedimentaationopeuteen vaikuttavat tekijät

Partikkelin koko ja muoto

Suuremmat ja tiheämmät hiukkaset laskeutuvat yleensä nopeammin niihin vaikuttavien lisääntyneiden gravitaatiovoimien vuoksi. Myös hiukkasten muodolla on merkitystä. Pallomaiset hiukkaset laskeutuvat yleensä nopeammin kuin epäsäännöllisen muotoiset. Tämä johtuu siitä, että pallomaisilla hiukkasilla on pienempi vetovastus kuin ei-pallomaisilla, mikä mahdollistaa nopeamman liikkeen nesteen läpi.

Nesteen viskositeetti

Korkeamman viskositeetin nesteet luovat enemmän vastustuskykyä hiukkasten liikkeelle, mikä vähentää sedimentaationopeutta. Teollisissa prosesseissa oikean viskositeetin valinta on avainasemassa erotusprosessin optimoinnissa ja halutun sedimentaationopeuden saavuttamisessa.

Lämpötila

Nesteen lämpötila voi vaikuttaa sekä nesteen viskositeettiin että hiukkasten laskeutumiskäyttäytymiseen. Korkeammat lämpötilat yleensä vähentävät viskositeettia, mikä puolestaan ​​voi lisätä sedimentaationopeutta.

Keskipakovoima

Sentrifugoinnissa käytetään voimakasta ulkoista voimaa sedimentaationopeuden lisäämiseksi. Sentrifugin nopeus, gravitaatiokenttä (G-voima) ja pyörimissäde vaikuttavat kaikki siihen, kuinka nopeasti hiukkaset asettuvat keskipakoerottimeen. Näitä parametreja manipuloimalla sedimentaationopeuksia voidaan parantaa merkittävästi, mikä tekee sentrifugoinnista tehokkaan menetelmän nopeaan erottamiseen.

Sedimentaationopeus erotusprosesseissa

Sedimentointi on yksi vanhimmista ja yksinkertaisimmista erotustekniikoista. Se perustuu kiinteiden hiukkasten ja nestefaasin tiheyden eroon. Tämä ero saa hiukkaset liikkumaan alaspäin ja asettumaan säiliön pohjalle, kun taas nestefaasi jää yläpuolelle. Nopeus, jolla tämä tapahtuu, vaikuttaa suoraan erotuksen tehokkuuteen ja aikaan.

Teollisessa erottelussa sedimentaationopeuden lisääminen mahdollistaa nopeamman käsittelyn ja tehokkaamman erottelun. Jätevedenkäsittelyn kaltaisissa prosesseissa, joissa on poistettava suuria määriä lietettä, korkea sedimentaationopeus varmistaa, että epäpuhtaudet erotetaan tehokkaasti vedestä lyhyessä ajassa.

Sentrifugointi on yleinen prosessi, jota käytetään teollisuudessa, kuten elintarviketuotannossa ja lääketeollisuudessa, jossa nopeiden pyörimisvoimien käyttö lisää dramaattisesti sedimentaationopeutta. Keskipakoerottimien käyttö voi nopeuttaa erotusprosesseja, jotka muuten kestäisivät paljon kauemmin normaaleissa gravitaatioolosuhteissa.

Sedimentaatiossa oleviin hiukkasiin vaikuttavat voimat

Hiukkasiin vaikuttaa sedimentaation aikana useita voimia, jotka määräävät kuinka nopeasti ne laskeutuvat:

Gravitaatiovoima (paino): Voima, joka vetää hiukkasta alaspäin Maan painovoiman vaikutuksesta, verrannollinen sen massaan.

Kelluva voima: Painovoimaa vastustavan nesteen kohdistama ylöspäin suuntautuva voima. Archimedesin periaatteen mukaan tämä voima on yhtä suuri kuin syrjäytyneen nesteen paino.

Vetovoima (vastus): vastus, jonka hiukkanen kokee liikkuessaan nesteen läpi. Tämä voima riippuu hiukkasen koosta, muodosta ja nesteen viskositeetista. Stokesin lakia käytetään yleisesti kuvaamaan pienten hiukkasten vastusvoimaa.

Näiden voimien välinen tasapaino määrää sedimentaationopeuden. Kun gravitaatiovoima on yhtä suuri kuin kelluntavoima ja vastusvoima, hiukkanen saavuttaa päätenopeudensa tai sedimentaationopeudensa.

Sedimentaationopeuden laskeminen

Sedimentaationopeus eli päätenopeus voidaan laskea Stokesin lain avulla viskoosin nesteen pienille pallomaisille hiukkasille:

Missä:
v on sedimentaationopeus (m/s),
r on hiukkasen säde (metreinä),
ρpartikkeli on hiukkasen tiheys (kg/m³),
ρfluidi on nesteen tiheys (kg/m³),
η on nesteen dynaaminen viskositeetti (Pa),
g on painovoiman aiheuttama kiihtyvyys (9,81 m/s²).

Tätä yhtälöä voidaan soveltaa pieniin, pallomaisiin hiukkasiin, jotka liikkuvat hitaasti (pienet Reynolds-luvut). Ei-pallomaisia ​​hiukkasia tai suurempia nopeuksia varten tarvitaan monimutkaisempia malleja.

Resurssi
Rausch, W. (2016). Hiukkasten erotustekniikat kemian- ja lääketeollisuudessa. Springer International Publishing.
Flottweg SE. (n.d.). Sedimentaationopeus – Yleiskatsaus ja laskenta. Haettu Flottweg Separation Technology Wikistä
Lowenberg, A. (2009). Sentrifugoinnin perusteet: Osa 2 – Sedimentaatio. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Johdatus nesteiden hiukkasten liikkeen teoriaan. MIT Press.