Rýchlosť sedimentácie

Sedimentačná rýchlosť označuje rýchlosť, ktorou sa častice v suspenzii alebo kaši usadzujú pod vplyvom gravitácie alebo odstredivých síl. Keď sú častice suspendované v kvapalnom médiu, vykazujú tendenciu usadzovať sa v dôsledku gravitácie alebo odstredivých síl aplikovaných v strojoch, ako sú odstredivky. Rýchlosť, ktorou k tomu dôjde, známa ako rýchlosť sedimentácie, sa líši v závislosti od niekoľkých faktorov vrátane veľkosti častíc, hustoty, tvaru a viskozity kvapaliny.

Faktory ovplyvňujúce rýchlosť sedimentácie

Veľkosť a tvar častíc

Väčšie a hustejšie častice sa vo všeobecnosti rýchlejšie usadzujú v dôsledku zvýšených gravitačných síl, ktoré na ne pôsobia. Svoju úlohu zohráva aj tvar častíc. Sférické častice majú tendenciu sa usadzovať rýchlejšie ako častice nepravidelného tvaru. Je to preto, že guľovité častice čelia menšiemu odporu v porovnaní s nesférickými časticami, čo umožňuje rýchlejší pohyb kvapalinou.

Viskozita kvapaliny

Kvapaliny s vyššou viskozitou vytvárajú väčšiu odolnosť voči pohybu častíc, čím sa znižuje rýchlosť sedimentácie. V priemyselných procesoch je výber správnej viskozity kľúčom k optimalizácii separačného procesu a dosiahnutiu požadovanej rýchlosti sedimentácie.

Teplota

Teplota kvapaliny môže ovplyvniť tak viskozitu kvapaliny, ako aj správanie častíc pri usadzovaní. Vyššie teploty vo všeobecnosti znižujú viskozitu, čo zase môže zvýšiť rýchlosť sedimentácie.

Odstredivá sila

Pri odstreďovaní sa na zvýšenie rýchlosti sedimentácie aplikuje silná vonkajšia sila. Rýchlosť odstredivky, gravitačné pole (G-sila) a polomer rotácie ovplyvňujú, ako rýchlo sa častice usadia v odstredivom separátore. Manipuláciou s týmito parametrami možno výrazne zvýšiť rýchlosť sedimentácie, vďaka čomu je centrifugácia výkonnou metódou rýchlej separácie.

Sedimentačná rýchlosť v separačných procesoch

Sedimentácia je jednou z najstarších a jednoduchých separačných techník. Spolieha sa na rozdiel v hustote pevných častíc a kvapalnej fázy. Tento rozdiel spôsobuje, že sa častice pohybujú smerom nadol a usadzujú sa na dne nádoby, zatiaľ čo kvapalná fáza zostáva nad ním. Rýchlosť, akou sa to deje, priamo ovplyvňuje účinnosť a čas potrebný na separáciu.

Pri priemyselnej separácii umožňuje zvýšenie rýchlosti sedimentácie rýchlejšie spracovanie a efektívnejšiu separáciu. V procesoch, ako je čistenie odpadových vôd, kde je potrebné odstrániť veľké množstvo kalu, vysoká rýchlosť sedimentácie zaisťuje, že kontaminanty sú efektívne oddelené od vody v krátkom čase.

Centrifugácia je bežný proces používaný v odvetviach, ako je výroba potravín a farmaceutický priemysel, kde aplikácia vysokorýchlostných rotačných síl dramaticky zvyšuje rýchlosť sedimentácie. Použitie odstredivých separátorov môže urýchliť separačné procesy, ktoré by inak za normálnych gravitačných podmienok trvali oveľa dlhšie.

Sily pôsobiace na častice v sedimentácii

Počas sedimentácie pôsobí na častice niekoľko síl, ktoré určujú, ako rýchlo sa usadia:

Gravitačná sila (hmotnosť): Sila, ktorá ťahá časticu smerom nadol v dôsledku zemskej gravitácie, úmerná jej hmotnosti.

Vztlaková sila: Sila smerom nahor, ktorú vyvíja tekutina, ktorá pôsobí proti gravitácii. Podľa Archimedovho princípu sa táto sila rovná hmotnosti vytlačenej tekutiny.

Brzdová sila (odpor): Odpor, ktorý častica zažíva pri pohybe tekutinou. Táto sila závisí od veľkosti častíc, tvaru a viskozity tekutiny. Stokesov zákon sa bežne používa na opis ťahovej sily pre malé častice.

Rovnováha medzi týmito silami určuje rýchlosť sedimentácie. Keď sa gravitačná sila rovná vztlakovej sile a odporovej sile, častica dosiahne svoju konečnú rýchlosť alebo rýchlosť sedimentácie.

Výpočet rýchlosti sedimentácie

Rýchlosť sedimentácie alebo konečná rýchlosť sa dá vypočítať pomocou Stokesovho zákona pre malé sférické častice vo viskóznej tekutine:

kde:
v je rýchlosť sedimentácie (v m/s),
r je polomer častice (v metroch),
ρčastice je hustota častice (v kg/m³),
ρfluidis hustota kvapaliny (v kg/m³),
η je dynamická viskozita kvapaliny (v Pas),
g je gravitačné zrýchlenie (9,81 m/s²).

Táto rovnica je použiteľná pre malé, sférické častice pohybujúce sa nízkou rýchlosťou (nízke Reynoldsove čísla). Pre nesférické častice alebo vyššie rýchlosti sú potrebné zložitejšie modely.

Zdroj
Rausch, W. (2016). Technológie separácie častíc v chemickom a farmaceutickom priemysle. Medzinárodné vydavateľstvo Springer.
Flottweg SE. (n.d.). Sedimentačná rýchlosť – prehľad a výpočet. Prevzaté z Flottweg Separation Technology Wiki
Lowenberg, A. (2009). Základy odstreďovania: 2. časť – Sedimentácia. Springer-Verlag Berlín Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Úvod do teórie pohybu častíc v kvapalinách. MIT Press.