Введение

Процесс, при котором частицы движутся к дну жидкости и образуют осадок. Осаждение – это процесс, посредством которого частицы перемещаются к нижней части жидкости и формируют осадок. Частицы, подверженные воздействию силы, будь то сила тяжести или центробежная сила, будут стремиться двигаться равномерно в направлении действия этой силы. В случае осаждения под действием силы тяжести это означает, что частицы будут опускаться на дно сосуда, образуя шлам или суспензию у основания сосуда. Осаждение является важной операцией во многих областях применения, таких как горнодобывающая промышленность, очистка сточных и питьевых вод, биологические науки, повторное зажигание космического топлива и ковшовая выемка.

Физика

Для оседающих частиц, рассматриваемых по отдельности, то есть в разбавленных суспензиях, на каждую частицу действуют две основные силы. Это приложенная сила, такая как сила тяжести, и сила сопротивления, возникающая из-за движения частицы в жидкости. На приложенную силу обычно не влияет скорость частицы, в то время как сила сопротивления является функцией этой скорости. Для неподвижной частицы сила сопротивления отсутствует, что приводит к её ускорению под действием приложенной силы. Когда частица ускоряется, сила сопротивления действует в направлении, противоположном движению частицы, замедляя дальнейшее ускорение. При отсутствии других сил, сила сопротивления напрямую противодействует приложенной силе. По мере увеличения скорости частицы, сила сопротивления и приложенная сила в конечном итоге уравновешиваются, прекращая изменение скорости частицы. Эта скорость называется конечной, скоростью оседания или скоростью падения частицы. Её легко измерить, наблюдая скорость падения отдельных частиц. На конечную скорость частицы влияет множество параметров, то есть любые факторы, изменяющие силу сопротивления. Таким образом, конечная скорость в основном зависит от размера зерна, его формы (округлости и сферичности), плотности зерна, а также от вязкости и плотности жидкости.

Стоксов драйв

Для разбавленных суспензий закон Стокса предсказывает скорость оседания небольших сфер в жидкости, будь то воздух или вода. Это обусловлено тем, что вязкие силы на поверхности частицы создают основную часть сопротивления движению. Закон Стокса находит широкое применение в естественных науках и выражается следующим образом:

где w – скорость оседания, ρ – плотность (индексы p и f обозначают соответственно частицу и жидкость), g – ускорение свободного падения, r – радиус частицы, а μ – динамическая вязкость жидкости. Закон Стокса применим, когда число Рейнольдса, Re, частицы меньше 0,1. Экспериментально установлено, что закон Стокса выполняется с точностью до 1% для , с точностью до 3% для и с точностью до 9% . С ростом числа Рейнольдса закон Стокса начинает терять точность из-за возрастающей роли инерции жидкости, что требует использования эмпирических методов для расчета сил сопротивления.

Переходное сопротивление

В промежуточной области между сопротивлением Стокса и ньютоновским сопротивлением существует переходный режим, в котором аналитическое решение задачи о падающей сфере становится затруднительным. Для решения этой задачи используются эмпирические формулы для расчета сопротивления в этой области. Одной из таких эмпирических формул является формула Шиллера и Наумана, которая может быть применима к:

Задержка в осаждении

Стоуксовое, переходное и ньютоновское осаждение описывают поведение отдельной сферической частицы в бесконечной жидкости, известное как свободное осаждение. Однако эта модель имеет ограничения в практическом применении. Альтернативные факторы, такие как взаимодействие частиц друг с другом в жидкости или взаимодействие частиц со стенками емкости, могут изменять поведение при осаждении. Осаждение, при котором эти силы оказывают существенное влияние, называется заторможенным осаждением. В дальнейшем для проведения осмысленных расчетов заторможенного осаждения могут использоваться полуаналитические или эмпирические методы.

Приложения

Системы потока твердой фазы в газовой среде широко применяются в различных отраслях промышленности, например, в сухих каталитических реакторах, отстойниках, пневматическом транспорте твердых веществ и других процессах. Очевидно, что в промышленных условиях правило сопротивления среды не так просто, как при осаждении одиночной сферы в неподвижной жидкости. Однако эти знания позволяют понять поведение сопротивления в более сложных системах, которые проектируются и исследуются инженерами с использованием эмпирических и более совершенных методов. Например, отстойники используются для разделения твердых частиц и/или масла от другой жидкости. В пищевой промышленности овощи измельчают и помещают в отстойник с водой. Масло всплывает на поверхность воды, после чего его собирают. При очистке питьевой и сточной воды перед осаждением часто добавляют флокулянт или коагулянт для образования более крупных частиц, которые быстро оседают в отстойнике или ламельном осветлителе, обеспечивая снижение мутности воды. В виноделии этот процесс называется débourbage. Обычно этот этап применяется при производстве белых вин перед началом ферментации.

Анализ оседающих твердых веществ

Осаждаемые твердые вещества – это частицы, которые выпадают в осадок из неподвижной жидкости. Количество осаждаемых твердых веществ в суспензии можно определить с помощью конуса Имхоффа. Стандартный конус Имхоффа из прозрачного стекла или пластика вмещает один литр жидкости и имеет градуированную шкалу для измерения объема твердых веществ, накопившихся в нижней части конического сосуда после осаждения в течение одного часа. Стандартизированная процедура с использованием конуса Имхоффа обычно применяется для измерения взвешенных твердых веществ в сточных водах или ливневом стоке. Простота метода делает его популярным для приблизительной оценки качества воды. Для количественной оценки стабильности взвешенных твердых веществ и прогнозирования процессов агломерации и осаждения обычно анализируют дзета-потенциал. Этот параметр указывает на электростатическое отталкивание между твердыми частицами и может быть использован для прогнозирования того, произойдет ли агрегация и осаждение со временем. Проба воды, подлежащая измерению, должна быть репрезентативной для общего потока. Лучше всего отбирать пробы из сброса, вытекающего из трубы или переливаясь через порог, поскольку пробы, взятые с поверхности проточного канала, могут не содержать более крупные твердые вещества с высокой плотностью, движущиеся по дну канала. Перед заливкой объема, необходимого для заполнения конуса, содержимое емкости для отбора проб тщательно перемешивается для равномерного повторного взвешивания всех собранных твердых веществ. Заполненный конус немедленно помещается в стационарный держатель для обеспечения спокойного осаждения. Держатель должен располагаться вдали от источников тепла, включая прямой солнечный свет, который может вызвать конвекционные потоки внутри конуса из-за изменения тепловой плотности жидкости. Через 45 минут осаждения конус слегка поворачивается вокруг своей оси симметрии, чтобы отделить любой осадок, прилипший к стенкам конуса. Накопленный осадок наблюдают и измеряют через пятнадцать минут, после одного часа общего времени осаждения.