Тұнбалау процесі: сұйықтағы бөлшектердің түбіне қонықтануы, шлам түзілуі. Су тазарту, кен өндіру сияқты салаларда маңызды. Бөлшектердің қозғалысы, күштер әсері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бөлшектің сұйықтың түбіне қарай жылжуы және шөгінді түзелу процесі. Сезімталдық немесе центробегтік қозғалыс күші әсерінен бөлшектер сол күш бағытында біркелкі қозғалады. Гравитациялық шөгіндіде бөлшектер ыдыстың түбіне түсіп, ыдыс түбінде шлам немесе суспензия қалыптастырады. Шөгінді көптеген қолдануларда маңызды операция болып табылады, мысалы, кен өндіру, сарқынды суларды және ішу суын тазарту, биологиялық ғылым, ғарыш отынын қайтадан тұтандыру және жинау.
Process by which particulates move towards the bottom of a liquid and form a sediment
Settling is the process by which particulates move towards the bottom of a liquid and form a sediment. Particles that experience a force, either due to gravity or due to centrifugal motion will tend to move in a uniform manner in the direction exerted by that force. For gravity settling, this means that the particles will tend to fall to the bottom of the vessel, forming sludge or slurry at the vessel base. Settling is an important operation in many applications, such as mining, wastewater and drinking water treatment, biological science, space propellant reignition,
and scooping.
Физика
Жеке қарастырылатын, яғни азақ бөлшектердің ерітіндісі болып табылатын тұнба бөлшектер үшін, кез келген бөлшекке әсер ететін екі негізгі күш бар. Бірінші күш – гравитация сияқты қолданылатын күш, ал екіншісі – бөлшектің сұйықтықтағы қозғалысынан туындайтын сүйреу күші. Қолданылатын күш әдетте бөлшектің жылдамдығына тәуелді болмайды, ал сүйреу күші бөлшектің жылдамдығының функциясы болып табылады. Бөлшек тыныш күйде болса, сүйреу күші болмайды, бұл қолданылатын күштің әсерінен бөлшектің жылдамдануына алып келеді. Бөлшек жылдамдағанда, сүйреу күші бөлшектің қозғалысына қарама-қарсы бағытта әрекет етеді, одан әрі жылдамдануын тежейді. Басқа күштердің болмауы жағдайында, сүйреу күші тікелей қолданылатын күшке қарсы келеді. Бөлшектің жылдамдығы артқан сайын, сүйреу күші мен қолданылатын күш шамамен теңеседі, бұл бөлшектің жылдамдығында өзгеріс болдырмайды. Бұл жылдамдық – бөлшектің соңғы жылдамдығы, тұну жылдамдығы немесе құлау жылдамдығы деп аталады. Жеке бөлшектердің құлау жылдамдығын зерттеу арқылы оны оңай өлшеуге болады. Бөлшектің соңғы жылдамдығына көптеген факторлар әсер етеді, яғни бөлшектің сүйреу күшін өзгертетін кез келген нәрсе. Сондықтан соңғы жылдамдық ең алдымен дәннің мөлшеріне, пішініне (дөңгелектігі мен шар тәрізділігіне) және дәндердің тығыздығына, сондай-ақ сұйықтықтың тұтқырлығы мен тығыздығына байланысты.
For settling particles that are considered individually, i. e. dilute particle solutions, there are two main forces enacting upon any particle. The primary force is an applied force, such as gravity, and a drag force that is due to the motion of the particle through the fluid. The applied force is usually not affected by the particle's velocity, whereas the drag force is a function of the particle velocity. For a particle at rest no drag force will be exhibited, which causes the particle to accelerate due to the applied force. When the particle accelerates, the drag force acts in the direction opposite to the particle's motion, retarding further acceleration, in the absence of other forces drag directly opposes the applied force. As the particle increases in velocity eventually the drag force and the applied force will approximately equate, causing no further change in the particle's velocity. This velocity is known as the terminal velocity, settling velocity or fall velocity of the particle. This is readily measurable by examining the rate of fall of individual particles. The terminal velocity of the particle is affected by many parameters, i. e. anything that will alter the particle's drag. Hence the terminal velocity is most notably dependent upon grain size, the shape (roundness and sphericity) and density of the grains, as well as to the viscosity and density of the fluid.
Стокстің сүйреуі
Сілтеулі суспензиялар үшін Стокс заңы сұйықтықтағы, ауадағы немесе судағы ұсақ шарлардың шөгу жылдамдығын болжайды. Бұл бөлшектің бетіндегі тұтқыр күштердің күшінен туындайды, ол кедергі күшінің басым бөлігін қамтамасыз етеді. Стокс заңы табиғат ғылымдарында көптеген қолданыс алады және былай беріледі:
For dilute suspensions, Stokes' law predicts the settling velocity of small spheres in fluid, either air or water. This originates due to the strength of viscous forces at the surface of the particle providing the majority of the retarding force. Stokes' law finds many applications in the natural sciences, and is given by:
мұнда w – шөгу жылдамдығы, ρ – тығыздық (p және f индекстері тиісінше бөлшек және сұйықтықты көрсетеді), g – гравитациялық үдеу, r – бөлшектің радиусы және μ – сұйықтықтың динамикалық тұтқырлығы. Стокс заңы бөлшектің Рейнольдс саны, Re, 0,1-ден кем болғанда қолданылады. Эксперименттік түрде Стокс заңы 1% дейін, 3% дейін және 9% дейін сақталады. Рейнольдс сандарының артуымен Стокс заңы бұзыла бастайды, себебі сұйықтық инерциясының маңыздылығы артады, бұл соқтығысу күштерін есептеу үшін эмпирикалық шешімдерді қолдануды қажет етеді.
where w is the settling velocity, ρ is density (the subscripts p and f indicate particle and fluid respectively), g is the acceleration due to gravity, r is the radius of the particle and μ is the dynamic viscosity of the fluid. Stokes' law applies when the Reynolds number, Re, of the particle is less than 0.1. Experimentally Stokes' law is found to hold within 1% for , within 3% for and within 9% With increasing Reynolds numbers, Stokes law begins to break down due to the increasing importance of fluid inertia, requiring the use of empirical solutions to calculate drag forces.
Өтпелі соғу
Стокстің созылуы мен Ньютон созылуы арасындағы аралық аймақта, түсіп келе жатқан сфераның мәселесін шешу қиын болатын өтпелі режим бар. Бұл мәселені шешу үшін, осы аймақтағы соққы күшін есептеу үшін эмпирикалық формулалар қолданылады. Мұндай эмпирикалық формулалардың бірі – Шиллер мен Науманның формуласы, ол мыналарға қатысты болуы мүмкін:
In the intermediate region between Stokes drag and Newtonian drag, there exists a transitional regime, where the analytical solution to the problem of a falling sphere becomes problematic. To solve this, empirical expressions are used to calculate drag in this region. One such empirical equation is that of Schiller and Naumann, and may be valid for :
Тұнбалауды тежеу
Стокс, өтпелі және Ньютондық тұнбалану шексіз сұйықтықтағы бір шар тәрізді бөлшектің қозғалысын сипаттайды, бұл еркін тұнбалану деп аталады. Дегенмен, бұл модельдің практикалық қолданылуында шектеулер бар. Сұйықтықтағы бөлшектердің өзара әрекеттесуі немесе бөлшектердің ыдыс қабырғаларымен өзара әрекеттесуі сияқты басқа факторлар тұнбалану мінез-құлқын өзгерте алады. Осы күштердің маңызды болуы кедергіге ұшыраған тұнбалану деп аталады. Содан кейін, мағыналы кедергіге ұшыраған тұнбалану есептеулерін жүргізу үшін жартылай талдамалық немесе эмпирикалық шешімдер қолданылуы мүмкін.
Stokes, transitional and Newtonian settling describe the behaviour of a single spherical particle in an infinite fluid, known as free settling. However this model has limitations in practical application. Alternate considerations, such as the interaction of particles in the fluid, or the interaction of the particles with the container walls can modify the settling behaviour. Settling that has these forces in appreciable magnitude is known as hindered settling. Subsequently, semi analytic or empirical solutions may be used to perform meaningful hindered settling calculations.
Қолданбалар
Қатты газ ағыны жүйелері көптеген өнеркәсіптік қолданыстарда кездеседі, мысалы, құрғақ каталитикалық реакторлар, тұндыру ыдыстары, қатты заттарды пневматикалық тасымалдау және тағы басқалар. Әрине, өнеркәсіптік процестерде соқтығысу заңы тұрақты сұйықтықтағы жалғыз шардың қозғалысы сияқты қарапайым емес. Дегенмен, бұл білім инженерлер тәжірибелік және күрделі құралдарды қолдана отырып жобалайтын және зерттейтін күрделі жүйелерде соқтығысудың қалай болатынын көрсетеді. Мысалы, "тұндыру ыдыстары" қатты заттарды және/немесе майды басқа сұйықтықтан бөлу үшін пайдаланылады. Тамақ өңдеу кезінде көкөніс ұсатылып, сумен толтырылған тұндыру ыдысына салынады. Май судың бетіне шығып, кейін жиналады. Ішу және сарқынды суды тазарту кезінде тұнбалау алдында көбінесе флокулянт немесе коагулянт қосылады, бұл тез тұнатын ірі бөлшектердің пайда болуына мүмкіндік береді, олар тұндыру ыдысында немесе (ламелла) тазарту құрылысында тұнады, нәтижесінде судың лайлануы төмендейді. Шарап жасау кезінде осы процестің француз тіліндегі атауы – débourbage. Бұл қадам әдетте ақ шарап өндірісінде ферментация басталғанға дейін жасалады.
The solid gas flow systems are present in many industrial applications, as dry, catalytic reactors, settling tanks, pneumatic conveying of solids, among others. Obviously, in industrial operations the drag rule is not simple as a single sphere settling in a stationary fluid. However, this knowledge indicates how drag behaves in more complex systems, which are designed and studied by engineers applying empirical and more sophisticated tools. For example, 'settling tanks' are used for separating solids and/or oil from another liquid. In food processing, the vegetable is crushed and placed inside of a settling tank with water. The oil floats to the top of the water then is collected. In drinking water and waste water treatment a flocculant or coagulant is often added prior to settling to form larger particles that settle out quickly in a settling tank or (lamella) clarifier, leaving the water with a lower turbidity. In winemaking, the French term for this process is débourbage. This step usually occurs in white wine production before the start of fermentation.
Тұншығып тұратын қатты заттарды талдау
Тұнып түсетін қатты заттар – тұншыққан сұйықтықтан бөлінетін бөлшектер. Тұнып түсетін қатты заттарды суспензия үшін Имхофф конусын қолдану арқылы анықтауға болады. Стандартты Имхофф конусы, мөлдір шыныдан немесе пластиктен жасалған, бір литр сұйықтық сыйымдылығына ие және бір сағат бойы тұншығудан кейін конус тәрізді ыдыстың түбінде жиналған қатты заттардың көлемін өлшеу үшін калибрленген белгілермен жабдықталған. Стандартталған Имхофф конусы әдісі көбінесе сарқынды суларда немесе жаңбыр суының ағынындағы суспензиядағы қатты заттарды өлшеу үшін қолданылады. Әдістің қарапайымдылығы оны су сапасын бағалау үшін ыңғайлы етеді. Суспензиядағы қатты заттардың тұрақтылығын сандық түрде бағалау және агломерация мен шөгінділену процестерін болжау үшін зета-потенциал әдетте талданады. Бұл параметр қатты бөлшектер арасындағы электростатикалық тебілісті көрсетеді және уақыт өте келе агрегация мен тұндырудың болатынын болжауға мүмкіндік береді. Өлшеуге алынатын су сынамасы жалпы ағынның өкілі болуы керек. Үлгілерді құбырдан немесе тоғаннан төгілетін ағыннан алу ұсынылады, себебі ағынның бетінен алынған үлгілер каналдың түбімен қозғалатын ірі, жоғары тығыздықты қатты заттарды толыққанды ұстап алмай қалуы мүмкін. Үлгі жиналатын ыдыс конусқа құйылатын көлемді алу алдында барлық жиналған қатты заттарды біркелкі араластыру үшін қарқынды түрде қозғалтылады. Толықтырылған конус бірден тұрақтандырылған тіреуге орналастырылады, осылайша тұншығу процесі бұзылмайды. Тіреу жылу көздерінен, соның ішінде тікелей күн сәулесінен алыс орналасуы керек, себебі сұйықтықтың жылулық тығыздығының өзгеруі конус ішінде ағымдарды тудыруы мүмкін. 45 минуттық тұншығудан кейін конус өзінің симметриялық осіне қатысты жартылай бұрылады, конус қабырғасына жабысқан материалды бөліп алу үшін. Жиналған шөгінділер 15 минуттан кейін, тұншығудың жалпы уақытының бір сағатынан кейін байқалып, өлшенеді.
Settleable solids are the particulates that settle out of a still fluid. Settleable solids can be quantified for a suspension using an Imhoff cone. The standard Imhoff cone of transparent glass or plastic holds one liter of liquid and has calibrated markings to measure the volume of solids accumulated in the bottom of the conical container after settling for one hour. A standardized Imhoff cone procedure is commonly used to measure suspended solids in wastewater or stormwater runoff. The simplicity of the method makes it popular for estimating water quality. To numerically gauge the stability of suspended solids and predict agglomeration and sedimentation events, zeta potential is commonly analyzed. This parameter indicates the electrostatic repulsion between solid particles and can be used to predict whether aggregation and settling will occur over time. The water sample to be measured should be representative of the total stream. Samples are best collected from the discharge falling from a pipe or over a weir, because samples skimmed from the top of a flowing channel may fail to capture larger, high density solids moving along the bottom of the channel. The sampling bucket is vigorously stirred to uniformly re suspend all collected solids immediately before pouring the volume required to fill the cone. The filled cone is immediately placed in a stationary holding rack to allow quiescent settling. The rack should be located away from heating sources, including direct sunlight, which might cause currents within the cone from thermal density changes of the liquid contents. After 45 minutes of settling, the cone is partially rotated about its axis of symmetry just enough to dislodge any settled material adhering to the side of the cone. Accumulated sediment is observed and measured fifteen minutes later, after one hour of total settling time.