Расселение

Осаждение – это процесс, при котором частицы перемещаются ко дну жидкости и образуют осадок . Частицы, на которые действует сила тяжести или центробежного движения, будут стремиться двигаться равномерно в направлении действия этой силы. Для гравитационного осаждения это означает, что частицы будут стремиться падать на дно сосуда, образуя осадок или суспензию на дне сосуда. Осаждение является важной операцией во многих приложениях, таких как горнодобывающая промышленность , очистка сточных и питьевых вод , биологическая наука, повторное зажигание космического топлива , ^[1] и черпать.

Физика

При осаждении частиц, которые рассматриваются индивидуально, т.е. разбавленных растворов частиц, на любую частицу действуют две основные силы. Основная сила — это приложенная сила, такая как сила тяжести, и сила сопротивления , возникающая из-за движения частицы в жидкости . Приложенная сила обычно не зависит от скорости частицы, тогда как сила сопротивления является функцией скорости частицы.

Для покоящейся частицы не будет проявляться сила сопротивления, которая заставляет частицу ускоряться за счет приложенной силы. При ускорении частицы сила сопротивления действует в направлении, противоположном движению частицы, замедляя дальнейшее ускорение, при отсутствии других сил сопротивление прямо противодействует приложенной силе. По мере увеличения скорости частицы в конечном итоге сила сопротивления и приложенная сила будут приблизительно равны , 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, т.е. все, что влияет на сопротивление частицы. Следовательно, конечная скорость в первую очередь зависит от размера зерна , формы (округлости и сферичности) и плотности зерен, а также от вязкости и плотности жидкости.

Сопротивление одной частицы

сопротивление Стокса

Для разбавленных суспензий закон Стокса предсказывает скорость осаждения небольших сфер в жидкости , будь то воздух или вода. Это происходит из-за силы вязких сил на поверхности частицы, обеспечивающих большую часть тормозящей силы. Закон Стокса находит множество применений в естественных науках и определяется следующим образом:

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

где w — скорость осаждения, ρ — плотность (индексы p и f обозначают 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 $Re\leq 0.1$ , в пределах 3% для $Re\leq 0.5$ и в пределах 9% $Re\leq 1.0$ . ^[2] С увеличением чисел Рейнольдса закон Стокса начинает нарушаться из-за возрастающей важности инерции жидкости, что требует использования эмпирических решений для расчета сил сопротивления.

Ньютоновское сопротивление

Определение коэффициента лобового сопротивления , $C_{d}$ , как отношение силы, испытываемой частицей, к ударному давлению жидкости, устанавливается коэффициент, который можно рассматривать как передачу имеющейся силы жидкости в сопротивление. В этой области инерция воздействующей жидкости ответственна за большую часть передачи силы частице.

C_{d}={\frac {F_{d}}{{\frac {1}{2}}\rho _{f}U^{2}A}}

Для сферической частицы в режиме Стокса это значение не является постоянным, однако в режиме ньютоновского сопротивления сопротивление сферы можно аппроксимировать константой 0,44. Это постоянное значение означает, что эффективность передачи энергии от жидкости к частице не является функцией скорости жидкости.

Таким образом, конечная скорость частицы в ньютоновском режиме снова может быть получена путем приравнивания силы сопротивления приложенной силе, что приводит к следующему выражению:

w=2.46\left({\frac {(\rho _{p}-\rho _{f})gr}{\rho _{f}}}\right)^{\frac {1}{2}}.

Переходное сопротивление

В промежуточной области между сопротивлением Стокса и сопротивлением Ньютона существует переходный режим, при котором аналитическое решение проблемы падающего шара становится проблематичным. Для решения этой проблемы используются эмпирические выражения для расчета сопротивления в этой области. Одним из таких эмпирических уравнений является уравнение Шиллера и Наумана, и оно может быть справедливым для $0.2\leq Re\leq 1000$ : ^[3]

{\frac {F}{\rho _{f}U^{2}A}}={\frac {12}{\mathrm {Re} }}\left(1+0.15\mathrm {Re} ^{0.687}\right).

Затрудненное заселение

Стоксово, переходное и ньютоновское осаждение описывает поведение отдельной сферической частицы в бесконечной жидкости, известное как свободное осаждение. Однако эта модель имеет ограничения в практическом применении. Альтернативные соображения, такие как взаимодействие частиц в жидкости или взаимодействие частиц со стенками контейнера, могут изменить поведение оседания. Урегулирование, при котором эти силы имеют значительную величину, известно как затрудненное урегулирование. Впоследствии полуаналитические или эмпирические решения могут быть использованы для выполнения значимых расчетов затрудненного осаждения.

Приложения

Системы потока твердого газа используются во многих отраслях промышленности, например, в сухих каталитических реакторах, отстойниках, пневматической транспортировке твердых веществ и т. д. Очевидно, что в промышленных операциях правило сопротивления не является простым, поскольку одна сфера оседает в неподвижной жидкости. Однако эти знания показывают, как ведет себя сопротивление в более сложных системах, которые проектируются и изучаются инженерами, применяющими эмпирические и более сложные инструменты.

Например, «отстойники » используются для отделения твердых веществ и/или масла от другой жидкости. В пищевой промышленности овощи измельчают и помещают в отстойник с водой. Нефть всплывает на поверхность воды, а затем собирается. При очистке питьевой воды и сточных вод перед отстаиванием часто добавляют флокулянт или , оставляя коагулянт для образования более крупных частиц, которые быстро оседают в отстойнике или ( пластинчатом ) осветлителе воду с более низкой мутностью .

В виноделии по -французски этот процесс называется дебурбажем . Этот этап обычно происходит при производстве белого вина перед началом ферментации . ^[4]

Анализ оседающих твердых веществ

Осаждающиеся твердые частицы – это частицы, которые оседают из неподвижной жидкости. можно определить количественно Оседающие твердые вещества в суспензии с помощью конуса Имгоффа. Стандартный конус Имгоффа из прозрачного стекла или пластика вмещает один литр жидкости и имеет калиброванную маркировку для измерения объема твердых веществ, накопленных на дне конического контейнера после отстаивания в течение одного часа. Стандартизированная процедура с использованием конуса Имгоффа обычно используется для измерения взвешенных веществ в сточных или ливневых стоках . Простота метода делает его популярным для оценки качества воды . Для численной оценки стабильности взвешенных твердых веществ и прогнозирования событий агломерации и седиментации дзета-потенциал обычно анализируется . Этот параметр указывает на электростатическое отталкивание между твердыми частицами и может использоваться для прогнозирования того, произойдет ли с течением времени агрегация и осаждение.

Проба воды, подлежащая измерению, должна быть репрезентативной для всего потока. Пробы лучше всего отбирать из стоков, падающих из трубы или через водослив, поскольку пробы, снятые с верхней части проточного канала, могут не уловить более крупные твердые частицы с высокой плотностью, движущиеся по дну канала. Ведро для отбора проб энергично перемешивают для равномерного ресуспендирования всех собранных твердых частиц непосредственно перед заливкой объема, необходимого для заполнения конуса. Заполненный конус немедленно помещают в стационарную стойку для спокойного отстаивания. Стойку следует располагать вдали от источников тепла, включая прямые солнечные лучи, которые могут вызвать токи внутри конуса из-за тепловых изменений плотности жидкого содержимого. После 45 минут осаждения конус частично поворачивается вокруг своей оси симметрии ровно настолько, чтобы удалить любой осевший материал, прилипший к стенкам конуса. Накопленный осадок наблюдают и измеряют пятнадцать минут спустя, после одного часа общего времени осаждения. ^[5]

См. также

Уравнение сопротивления - Уравнение силы сопротивления.
Дзета-потенциал - Электрокинетический потенциал в коллоидных дисперсиях.
Седиментация – тенденция частиц в суспензии оседать.
Отстойник - сооружение, использующее седиментацию для удаления веществ из сточных вод.
Суспензия (химия) – гетерогенная смесь твердых частиц, диспергированных в среде.
Общее количество взвешенных веществ – параметр качества воды

Ссылки

^ Зеглер, Фрэнк; Бернард Каттер (2 сентября 2010 г.). «Переход к архитектуре космического транспорта на базе депо» (PDF) . Конференция и выставка AIAA SPACE 2010 . АААА. Архивировано из оригинала (PDF) 10 мая 2013 г. Проверено 25 января 2011 г. Он потребляет отработанный водород и кислород для производства энергии, создания тяги для стабилизации и ориентации.
^ Мартин Роудс. Введение в технологию частиц .
^ Химическая инженерия . Том. 2. Пергамский пресс. 1955.
^ Робинсон, Дж. (редактор) (2006) «Оксфордский спутник вина», третье издание, с. 223 Издательство Оксфордского университета, ISBN 0-19-860990-6
^ Фрэнсон, Мэри Энн (1975) Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 14-е издание, APHA, AWWA и WPCF ISBN 0-87553-078-8 стр. 89–91, 95–96

Внешние ссылки

Методика осаждающихся твердых частиц
Калькулятор предельной скорости по закону Стокса
Калькулятор скорости оседания терминала для всех чисел Рейнольдса
Затрудненное осаждение, конструкция непрерывного сгустителя Коу и Клевенджера.

[aiaa20100902-1] Зеглер, Фрэнк; Бернард Каттер (2 сентября 2010 г.). «Переход к архитектуре космического транспорта на базе депо» (PDF) . Конференция и выставка AIAA SPACE 2010 . АААА. Архивировано из оригинала (PDF) 10 мая 2013 г. Проверено 25 января 2011 г. Он потребляет отработанный водород и кислород для производства энергии, создания тяги для стабилизации и ориентации.

[Rhodes-2] Мартин Роудс. Введение в технологию частиц .

[CoulsonAndRichardsonV2-3] Химическая инженерия . Том. 2. Пергамский пресс. 1955.

[Oxford_pg_223-4] Робинсон, Дж. (редактор) (2006) «Оксфордский спутник вина», третье издание, с. 223 Издательство Оксфордского университета, ISBN 0-19-860990-6

[5] Фрэнсон, Мэри Энн (1975) Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 14-е издание, APHA, AWWA и WPCF ISBN 0-87553-078-8 стр. 89–91, 95–96

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]