Bosättning

För den mänskliga aktiviteten, se nybyggare . För ljuddramat, se The Settling .

Sedimenteringsdamm för järnpartiklar vid vattenverk

Sedimentering är den process genom vilken partiklar rör sig mot botten av en vätska och bildar ett sediment . Partiklar som upplever en kraft, antingen på grund av gravitation eller på grund av centrifugalrörelse, tenderar att röra sig på ett enhetligt sätt i den riktning som den kraften utövar. För gravitationssedimentering betyder detta att partiklarna tenderar att falla till botten av kärlet och bilda slam eller slam vid kärlets bas.

Sedimentering är en viktig operation i många applikationer, såsom gruvdrift , rening av avloppsvatten och dricksvatten , biologisk vetenskap, återupptändning av rymddrivmedel och scooping.

Fysik

Krypande flöde förbi en sfär: effektiviserar , dragkraft F _d och tyngdkraft F _g .

För sedimenterande partiklar som betraktas individuellt, dvs. utspädda partikellösningar, finns det två huvudkrafter som påverkar varje partikel. Den primära kraften är en applicerad kraft, såsom gravitation, och en dragkraft som beror på partikelns rörelse genom vätskan . Den applicerade kraften påverkas vanligtvis inte av partikelns hastighet, medan dragkraften är en funktion av partikelhastigheten.

För en partikel i vila kommer ingen dragkraft att uppvisas, vilket gör att partikeln accelererar på grund av den applicerade kraften. När partikeln accelererar verkar dragkraften i motsatt riktning mot partikelns rörelse, och bromsar ytterligare acceleration, i frånvaro av andra krafter motverkar draget direkt den applicerade kraften. När partikeln ökar i hastighet så småningom kommer dragkraften och den applicerade kraften att ungefär likställas , vilket inte orsakar någon ytterligare förändring i partikelns hastighet. Denna hastighet är känd som sluthastigheten , sedimenteringshastigheten eller fallhastigheten för partikeln. Detta är lätt att mäta genom att undersöka fallhastigheten för enskilda partiklar.

Partikelns sluthastighet påverkas av många parametrar, dvs allt som kommer att förändra partikelns motstånd. Följaktligen är sluthastigheten mest anmärkningsvärt beroende av kornstorleken , formen (rundhet och sfäricitet) och densiteten hos kornen, såväl som på vätskans viskositet och densitet .

Drag av en enda partikel

Stokes drag

Huvudartikel: Stokes' lag

Dimensionslös kraft kontra Reynolds tal för sfäriska partiklar

För utspädda suspensioner förutsäger Stokes lag sedimenteringshastigheten för små sfärer i vätska , antingen luft eller vatten. Detta har sitt ursprung på grund av styrkan hos viskösa krafter vid ytan av partikeln som tillhandahåller huvuddelen av den retarderande kraften. Stokes lag finner många tillämpningar inom naturvetenskap, och ges av:

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

där w är sedimenteringshastigheten, ρ är densitet (de nedsänkta p och f anger partikel respektive vätska), g är accelerationen på grund av gravitationen, r är radien för partikeln och μ är vätskans dynamiska viskositet.

Stokes lag gäller när Reynolds-talet , Re, för partikeln är mindre än 0,1. Experimentellt visar sig Stokes lag hålla inom 1 % för ${\displaystyle Re\leq 0,1} ,$ inom 3 % för $Re\leq 0,5$ och inom 9 % ${ \displaystyle Re\leq 1.0}$ . Med ökande Reynolds siffror börjar Stokes lag att bryta ner på grund av den ökande betydelsen av vätsketröghet, vilket kräver användning av empiriska lösningar för att beräkna dragkrafter.

Newtonskt drag

Definiera en luftmotståndskoefficient , $C_{d}$ , som förhållandet mellan kraften som partikeln upplever dividerat med vätskans slagtryck , en koefficient som kan betraktas som överföringen av tillgänglig vätskekraft till motståndet är etablerad. I detta område är trögheten hos den stötande vätskan ansvarig för huvuddelen av kraftöverföringen till partikeln.

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

För en sfärisk partikel i Stokes-regimen är detta värde inte konstant, men i det Newtonska luftmotståndsregimen kan luftmotståndet på en sfär approximeras med en konstant, 0,44. Detta konstanta värde antyder att effektiviteten för överföring av energi från vätskan till partikeln inte är en funktion av vätskehastigheten.

Som sådan kan sluthastigheten för en partikel i en Newtonsk regim återigen erhållas genom att likställa dragkraften med den applicerade kraften, vilket resulterar i följande uttryck

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

Övergångsdrag

I den mellanliggande regionen mellan Stokes drag och Newtons drag, finns det en övergångsregim, där den analytiska lösningen på problemet med en fallande sfär blir problematisk. För att lösa detta används empiriska uttryck för att beräkna drag i denna region. En sådan empirisk ekvation är den för Schiller och Naumann, och kan vara giltig för $0,2\leq Re\leq 1000$ :

${\frac {F}{\rho _{f}U^{2}A}}={\frac {12}{\mathrm {Re} }}\left(1+0.15\mathrm {Re} ^{0,687}\höger).$

Hindrad bosättning

Stokes, övergångs- och Newtonsk sedimentering beskriver beteendet hos en enda sfärisk partikel i en oändlig vätska, känd som fri sedimentering. Denna modell har dock begränsningar i praktisk tillämpning. Alternativa överväganden, såsom växelverkan mellan partiklar i vätskan, eller växelverkan mellan partiklarna och behållarens väggar kan modifiera sedimenteringsbeteendet. Sedimentering som har dessa krafter i märkbar storlek kallas hindrad sättning. Därefter kan semi-analytiska eller empiriska lösningar användas för att utföra meningsfulla beräkningar av hindrad sedimentering.

Ansökningar

Fastgasflödessystemen finns i många industriella tillämpningar, som torra, katalytiska reaktorer, sedimenteringstankar, pneumatisk transport av fasta ämnen, bland annat. Uppenbarligen är luftmotståndsregeln i industriell verksamhet inte enkel som en enda sfär som sätter sig i en stationär vätska. Denna kunskap indikerar dock hur drag uppträder i mer komplexa system, som är designade och studerade av ingenjörer som använder empiriska och mer sofistikerade verktyg.

Till exempel används "sedimenteringstankar" för att separera fasta ämnen och/eller olja från en annan vätska . Vid livsmedelsbearbetning krossas grönsaken och placeras inuti en sedimenteringstank med vatten. Oljan flyter till toppen av vattnet och samlas sedan upp. Vid av dricksvatten och avloppsvatten tillsätts ofta ett flockningsmedel eller koaguleringsmedel före sedimentering för att bilda större partiklar som sedimenterar snabbt i en sedimenteringstank eller ( lamell ) klarare och lämnar vattnet med en lägre grumlighet .

Inom vinframställning är den franska termen för denna process débourbage . Detta steg sker vanligtvis i vitvinsproduktion innan jäsningen påbörjas .

Analys av sedimenterande fasta ämnen

Sedimenterande fasta ämnen är de partiklar som sedimenterar ur en stillastående vätska. Sedimenterande fasta ämnen kan kvantifieras för en suspension med hjälp av en Imhoff-kon. Imhoffs standardkon av genomskinligt glas eller plast rymmer en liter vätska och har kalibrerade markeringar för att mäta volymen av fasta partiklar som samlats i botten av den koniska behållaren efter att ha satt sig i en timme. En standardiserad Imhoff-konprocedur används vanligtvis för att mäta suspenderade ämnen i avloppsvatten eller dagvattenavrinning . Metodens enkelhet gör den populär för att uppskatta vattenkvaliteten . För att numeriskt mäta stabiliteten hos suspenderade fasta ämnen och förutsäga agglomerations- och sedimentationshändelser, analyseras zetapotential vanligtvis. Denna parameter indikerar den elektrostatiska repulsionen mellan fasta partiklar och kan användas för att förutsäga om aggregering och sedimentering kommer att inträffa över tiden.

Vattenprovet som ska mätas bör vara representativt för den totala strömmen. Prover samlas bäst från utsläppet som faller från ett rör eller över en dam, eftersom prover som skummas från toppen av en strömmande kanal inte kan fånga större fasta ämnen med hög densitet som rör sig längs kanalens botten. Provtagningshinken omrörs kraftigt för att jämnt återsuspendera alla uppsamlade fasta ämnen omedelbart innan den volym som krävs för att fylla konen hälls. Den fyllda konen placeras omedelbart i ett stationärt hållarställ för att tillåta stilla sedimentering. Stället bör placeras på avstånd från värmekällor, inklusive direkt solljus, vilket kan orsaka strömmar inuti könen från termiska densitetsförändringar av vätskeinnehållet. Efter 45 minuters sedimentering roteras könen delvis kring sin symmetriaxel precis tillräckligt för att avlägsna eventuellt sedimenterat material som fäster vid sidan av könen. Ackumulerat sediment observeras och mäts femton minuter senare, efter en timmes total sedimenteringstid.

Se även

• Dragekvation – Ekvation för dragkraften
• Zeta potential – Elektrokinetisk potential i kolloidala dispersioner
• Sedimentation – Tendens för partiklar i suspension att sedimentera
• Sedimenteringsbassäng – struktur som använder sedimentering för att avlägsna material från avloppsvatten Sidor som visar wikidata-beskrivningar som en reserv
• Suspension (kemi) – Heterogen blandning av fasta partiklar dispergerade i ett medium
• Totalt suspenderat material – Vattenkvalitetsparameter

externa länkar

• Metodik för sättningsbara fasta ämnen
• Stokes Law terminal hastighetsräknare
• Kalkylator för terminalavräkningshastighet för alla Reynolds-nummer
• Hindrad sättning, design av ett kontinuerligt förtjockningsmedel av Coe och Clevenger