Rychlost sedimentace

Sedimentační rychlost se týká rychlosti, kterou se částice v suspenzi nebo suspenzi usazují vlivem gravitace nebo odstředivých sil. Když jsou částice suspendovány v kapalném médiu, vykazují tendenci se usazovat v důsledku gravitace nebo odstředivých sil aplikovaných ve strojích, jako jsou odstředivky. Rychlost, kterou k tomu dochází, známá jako rychlost sedimentace, se liší v závislosti na několika faktorech, včetně velikosti, hustoty, tvaru a viskozity kapaliny.

Faktory ovlivňující rychlost sedimentace

Velikost a tvar částic

Větší a hustší částice se obecně rychleji usazují díky zvýšeným gravitačním silám, které na ně působí. Svou roli hraje i tvar částic. Sférické částice mají tendenci se usazovat rychleji než částice nepravidelného tvaru. Je to proto, že kulové částice čelí menšímu odporu vůči odporu ve srovnání s nekulovými, což umožňuje rychlejší pohyb kapalinou.

Viskozita kapaliny

Kapaliny s vyšší viskozitou vytvářejí větší odpor vůči pohybu částic a snižují rychlost sedimentace. V průmyslových procesech je volba správné viskozity klíčem k optimalizaci separačního procesu a dosažení požadované rychlosti sedimentace.

Teplota

Teplota kapaliny může ovlivnit jak viskozitu kapaliny, tak chování částic při usazování. Vyšší teploty obecně snižují viskozitu, což zase může zvýšit rychlost sedimentace.

Odstředivá síla

Při odstřeďování je aplikována silná vnější síla ke zvýšení rychlosti sedimentace. Rychlost odstředivky, gravitační pole (G-síla) a poloměr rotace ovlivňují, jak rychle se částice usazují v odstředivém separátoru. Manipulací s těmito parametry lze výrazně zvýšit rychlost sedimentace, díky čemuž je centrifugace výkonnou metodou pro rychlou separaci.

Rychlost sedimentace v separačních procesech

Sedimentace je jednou z nejstarších a nejjednodušších separačních technik. Spoléhá na rozdíl v hustotě pevných částic a kapalné fáze. Tento rozdíl způsobuje, že se částice pohybují dolů a usazují se na dně nádoby, zatímco kapalná fáze zůstává nahoře. Rychlost, s jakou k tomu dochází, přímo ovlivňuje účinnost a čas potřebný pro separaci.

Při průmyslové separaci umožňuje zvýšení rychlosti sedimentace rychlejší zpracování a efektivnější separaci. V procesech, jako je čištění odpadních vod, kde je třeba odstranit velké množství kalu, vysoká rychlost sedimentace zajišťuje, že kontaminanty jsou účinně odděleny od vody v krátkém čase.

Centrifugace je běžný proces používaný v průmyslových odvětvích, jako je výroba potravin a farmacie, kde aplikace vysokorychlostních rotačních sil dramaticky zvyšuje rychlost sedimentace. Použití odstředivých separátorů může urychlit separační procesy, které by jinak za normálních gravitačních podmínek trvaly mnohem déle.

Síly působící na částice v sedimentaci

Na částice během sedimentace působí několik sil, které určují, jak rychle se usadí:

Gravitační síla (hmotnost): Síla, která táhne částici dolů v důsledku zemské gravitace, úměrná její hmotnosti.

Vztlaková síla: Síla směrem vzhůru vyvíjená tekutinou, která působí proti gravitaci. Podle Archimedova principu se tato síla rovná hmotnosti vytlačené tekutiny.

Drag Force (Resistance): Odpor, který částice pociťuje, když se pohybuje tekutinou. Tato síla závisí na velikosti částic, tvaru a viskozitě tekutiny. Stokesův zákon se běžně používá k popisu tahové síly pro malé částice.

Rovnováha mezi těmito silami určuje rychlost sedimentace. Když se gravitační síla rovná vztlakové síle a síle odporu, částice dosáhne své konečné rychlosti neboli sedimentační rychlosti.

Výpočet rychlosti sedimentace

Rychlost sedimentace neboli konečnou rychlost lze vypočítat pomocí Stokesova zákona pro malé kulovité částice ve viskózní tekutině:

kde:
v je sedimentační rychlost (v m/s),
r je poloměr částice (v metrech),
ρčástice je hustota částice (v kg/m³),
ρfluidi je hustota kapaliny (v kg/m³),
η je dynamická viskozita kapaliny (v Pas),
g je gravitační zrychlení (9,81 m/s²).

Tato rovnice je použitelná pro malé, kulovité částice pohybující se nízkou rychlostí (nízká Reynoldsova čísla). Pro nekulové částice nebo vyšší rychlosti jsou nutné složitější modely.

Zdroj
Rausch, W. (2016). Technologie separace částic v chemickém a farmaceutickém průmyslu. Mezinárodní nakladatelství Springer.
Flottweg SE. (n.d.). Sedimentační rychlost – přehled a výpočet. Převzato z Flottweg Separation Technology Wiki
Lowenberg, A. (2009). Základy centrifugace: 2. část – Sedimentace. Springer-Verlag Berlín Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Úvod do teorie pohybu částic v kapalinách. MIT Press.