Sedimentare

Rezervoare de sedimentare dreptunghiulare.

Sedimentarea ^[1] în fizică este un proces prin care particulele suspendate într-un fluid se acumulează datorită existenței unui câmp de forță . Acest lucru poate fi cauzat de forța gravitațională ( sedimentarea prin gravitație sau decantare ), de forța centrifugă ( sedimentarea centrifugă ) sau de forța electrică ( electrodecantare , electroforeză , dielectroforeză ).

Sedimentarea prin gravitație

Rezervor circular de sedimentare pentru tratarea apei.

Schema unui rezervor circular de sedimentare.

Decantarea (sau sedimentarea prin gravitație ) este o metodă mecanică de separare a fazelor care alcătuiesc o emulsie sau suspensie bazată pe procesul de sedimentare spontană. Această metodă separă fazele folosind forța gravitațională. Prin urmare, este cu atât mai eficient cu cât densitatea particulelor în suspensie este mai mare comparativ cu cea a lichidului care acționează ca solvent. Un alt parametru care afectează decantarea este dimensiunea particulelor suspendate. Cu cât sunt mai mici, cu atât este mai puțin eficientă decantarea.

Sedimentare liberă

Prin sedimentare liberă înțelegem sedimentarea unei singure particule într-un fluid pur, în absența altor particule înconjurătoare (adică într-o stare de diluare infinită ).

Dinpunct de vedere lagrangian , există un scurt interval de timp inițial în care particula accelerează, până când viteza terminală de cădere a particulei este atinsă, la care viteza de cădere rămâne constantă.

Sedimentarea liberă are loc în conformitate cu legea lui Stokes , care prezice viteza terminală de cădere $v_{\infty }$ ${\ displaystyle v _ {\ infty}}$ ${\ displaystyle v _ {\ infty}}$ a unei particule sferice într-un fluid laminar ^[2] :

v_{\infty }={\frac {2(\rho _{p}-\rho _{f})r^{2}g}{9\mu }}

{\ displaystyle v _ {\ infty} = {\ frac {2 (\ rho _ {p} - \ rho _ {f}) r ^ {2} g} {9 \ mu}}}

{\ displaystyle v _ {\ infty} = {\ frac {2 (\ rho _ {p} - \ rho _ {f}) r ^ {2} g} {9 \ mu}}}

in care $\rho _{p}$ ${\ displaystyle \ rho _ {p}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {p}}$ Și $\rho _{f}$ ${\ displaystyle \ rho _ {f}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {f}}$ sunt densitățile particulelor și fluidului, $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ este raza particulei, $\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ reprezintă vâscozitatea fluidului și $g$ ${\ displaystyle g}$ $g$ este constanta de accelerație de greutate a Pământului (egală cu aproximativ 9,81 ms ⁻² ).

Sedimentare obstrucționată

Sedimentarea unui set de particule dintr-un fluid se numește sedimentare împiedicată , spre deosebire de sedimentarea liberă . Vorbim despre sedimentarea împiedicată, deoarece rata de cădere a fiecărei particule este influențată de prezența particulelor înconjurătoare.

În special, pentru un sistem de particule cu densitate egală și dimensiuni variabile între $r_{min}$ ${\ displaystyle r_ {min}}$ ${\ displaystyle r_ {min}}$ Și $r_{max}$ ${\ displaystyle r_ {max}}$ ${\ displaystyle r_ {max}}$ , dacă ne fixăm atenția asupra unei particule de raze $r_{i}$ ${\ displaystyle r_ {i}}$ $re$ , viteza sa terminală de cădere va fi mărită de particulele înconjurătoare cu o rază mai mare de $r_{i}$ ${\ displaystyle r_ {i}}$ $re$ , care au o acțiune de tragere asupra particulei în cauză și, în același timp, vor fi diminuate de particulele din jur de mai puțin de $r_{i}$ ${\ displaystyle r_ {i}}$ $re$ , care va avea ca efect creșterea vâscozității aparente a fluidului.

Test cilindru

Test cilindru . A - lichid de clarificat; B - lichid clarificat; C - începutul sedimentării; D - particule sedimentate.

Deoarece legea lui Stokes nu este aplicabilă, în cazul sedimentării obstrucționate, testul cilindrului este utilizat pentru a măsura viteza de cădere a setului de particule (sau viteza de sedimentare sau viteza de decantare ).

Următorul tratament este valabil dacă distribuția diametrelor particulelor nu este largă, adică dacă

$d_{p}({max})\leq 6\cdot d_{p}({min})$ ${\ displaystyle d_ {p} ({max}) \ leq 6 \ cdot d_ {p} ({min})}$ ${\ displaystyle d_ {p} ({max}) \ leq 6 \ cdot d_ {p} ({min})}$

in care $d_{p}$ ${\ displaystyle d_ {p}}$ ${\ displaystyle d_ {p}}$ indică diametrul particulelor de depus, care poate fi măsurat cu o operație de cernere .

Amestecul este mai întâi agitat într-un vas cilindric, pentru a elimina orice gradienți de concentrație . Ca urmare a acțiunii câmpului gravitațional , se va crea o interfață lângă suprafața liberă dintre amestecul lichid-solid (A) și lichidul clarificat (B), în timp ce particulele încep să se așeze la baza cilindrului, creând o zonă de sedimentare inițială (C) și un strat de particule sedimentate (D). După un anumit interval de timp, se vor distinge doar două zone: una cu lichid clarificat (B) și una cu particule sedimentate (D).

Se măsoară înălțimea interfeței dintre lichidul clarificat și zonele subiacente, obținându-se o diagramă înălțime-timp (ht), din care se derivă viteza de sedimentare.

Diagrama HT referitoare la un test de cilindru pentru estimarea vitezei de sedimentare.

Notă

^ termenul sedimentare este adesea folosit în locul termenului mai specific sedimentare prin gravitație .
^ sau pentru numere Reynolds mai mici de 0,1.

Bibliografie

( EN ) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering , ediția a 6-a, Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, pp. 1039-1040 , ISBN 0-07-060082-1 .