Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пруд-отстойник для частиц железа на гидротехнических сооружениях

Оседание - это процесс, при котором частицы оседают на дно жидкости и образуют осадок . Частицы, которые испытывают силу, вызванную гравитацией или центробежным движением, будут стремиться двигаться равномерно в направлении, создаваемом этой силой. При осаждении под действием силы тяжести это означает, что частицы будут стремиться падать на дно емкости, образуя суспензию на дне емкости.

Оседание - важная операция во многих областях применения, таких как горнодобывающая промышленность , очистка сточных вод, биология, повторное зажигание космического топлива [1] и черпание.

Физика [ править ]

Ползущее обтекание сферы: линии тока , сила сопротивления F d и сила тяжести F g .

Для осаждения частиц, которые рассматриваются индивидуально, то есть разбавленных растворов частиц, на любую частицу действуют две основные силы. Первичная сила - это приложенная сила, такая как сила тяжести, и сила сопротивления, которая возникает из-за движения частицы через жидкость . На приложенную силу обычно не влияет скорость частицы, тогда как сила сопротивления является функцией скорости частицы.

Для покоящейся частицы не будет проявляться сила сопротивления, которая заставляет частицу ускоряться из-за приложенной силы. Когда частица ускоряется, сила сопротивления действует в направлении, противоположном движению частицы, замедляя дальнейшее ускорение, в отсутствие других сил сопротивление прямо противоположно приложенной силе. По мере увеличения скорости частицы в конечном итоге сила сопротивления и приложенная сила будут приблизительно равны , не вызывая дальнейшего изменения скорости частицы. Эта скорость известна как конечная скорость , скорость оседания или скорость падения частицы. Это легко измерить, исследуя скорость падения отдельных частиц.

На конечную скорость частицы влияют многие параметры, то есть все, что изменит сопротивление частицы. Следовательно, конечная скорость наиболее заметно зависит от размера зерен , формы (округлости и сферичности) и плотности зерен, а также от вязкости и плотности жидкости.

Перетаскивание одной частицы [ править ]

Перетаскивание Стокса [ править ]

Зависимость безразмерной силы от числа Рейнольдса для сферических частиц

Для разбавленных суспензий закон Стокса предсказывает скорость осаждения небольших сфер в жидкости , будь то воздух или вода. Это происходит из-за силы вязких сил на поверхности частицы, обеспечивающей большую часть тормозящей силы. Закон Стокса находит множество применений в естественных науках и определяется следующим образом:

где w - скорость осаждения, ρ - плотность (нижние индексы p и f обозначают частицу и жидкость соответственно), g - ускорение свободного падения, r - радиус частицы и μ - динамическая вязкость жидкости.

Закон Стокса применяется, когда число Рейнольдса Re частицы меньше 0,1. Экспериментально установлено, что закон Стокса выполняется в пределах 1% для , в пределах 3% и в пределах 9% . [2] С увеличением числа Рейнольдса закон Стокса начинает нарушаться из-за возрастающей важности инерции жидкости, что требует использования эмпирических решений для расчета сил сопротивления.

Ньютоновское сопротивление [ править ]

Определение коэффициента аэродинамического сопротивления , как отношение силы , испытываемой частица , деленной на давлении удара текучей среды, устанавливается коэффициент , который можно рассматривать как передачу имеющейся силы текучей среды в сопротивление. В этой области инерция ударной жидкости отвечает за передачу большей части силы частице.

Для сферической частицы в режиме Стокса это значение не является постоянным, однако в режиме ньютоновского сопротивления сопротивление шара может быть аппроксимировано константой 0,44. Это постоянное значение означает, что эффективность передачи энергии от жидкости к частице не зависит от скорости жидкости.

Таким образом, конечная скорость частицы в ньютоновском режиме снова может быть получена путем приравнивания силы сопротивления к приложенной силе, что приводит к следующему выражению

Переходное перетаскивание [ править ]

В промежуточной области между сопротивлением Стокса и сопротивлением Ньютона существует переходный режим, когда аналитическое решение проблемы падающего шара становится проблематичным. Чтобы решить эту проблему, используются эмпирические выражения для расчета сопротивления в этой области. Одним из таких эмпирических уравнений является уравнение Шиллера и Науманна, и оно может быть справедливым для : [3]

Затрудненное заселение [ править ]

Стокса, переходное и ньютоновское осаждение описывают поведение отдельной сферической частицы в бесконечной жидкости, известное как свободное осаждение. Однако у этой модели есть ограничения в практическом применении. Альтернативные соображения, такие как взаимодействие частиц в жидкости или взаимодействие частиц со стенками контейнера, могут изменить характер осаждения. Оседание, в котором эти силы проявляются в значительной степени, называется затрудненным осаждением. Впоследствии полуаналитические или эмпирические решения могут использоваться для выполнения значимых расчетов затрудненного осаждения.

Приложения [ править ]

Системы потока твердого газа используются во многих отраслях промышленности, например, в сухих каталитических реакторах, отстойниках, пневматической транспортировке твердых частиц и др. Очевидно, что на промышленных предприятиях правило сопротивления не является простым, когда единственная сфера устанавливается в неподвижной жидкости. Однако эти знания показывают, как сопротивление ведет себя в более сложных системах, которые разрабатываются и изучаются инженерами с применением эмпирических и более сложных инструментов.

Например, отстойники баки используются для отделения твердых частиц и / или масла из другой жидкости. В пищевой промышленности овощ измельчается и помещается в отстойник с водой. Масло всплывает на поверхность воды, а затем собирается. В воде и сточных очистки воды флокулянта часто добавляют до осаждения с образованием более крупных частиц , которые оседают быстро в отстойнике или наклонной пластины отстойник , оставляя воду с более низкой мутностью .

В виноделии этот процесс по- французски называют дебурбаж . Этот этап обычно происходит при производстве белого вина перед началом ферментации . [4]

Анализ осаждаемых твердых веществ [ править ]

Оседающие твердые частицы - это частицы, которые выпадают из неподвижной жидкости. Оседающие твердые частицы могут быть количественно определены для суспензии с помощью конуса Имхоффа. Стандартный конус Имхоффа из прозрачного стекла или пластика вмещает один литр жидкости и имеет калиброванную маркировку для измерения объема твердых частиц, накопившихся на дне конической емкости после осаждения в течение одного часа. Стандартизированная процедура конуса Имхоффа обычно используется для измерения взвешенных твердых частиц в сточных водах или ливневых стоках . Простота метода делает его популярным для оценки качества воды . Для численного измерения стабильности взвешенных твердых частиц и прогнозирования агломерации и седиментации дзета-потенциалобычно анализируется. Этот параметр указывает на электростатическое отталкивание между твердыми частицами и может использоваться для прогнозирования того, произойдет ли агрегация и осаждение с течением времени.

Измеряемая проба воды должна быть репрезентативной для всего потока. Образцы лучше всего собирать из выпускного отверстия, падающего из трубы или через водослив, поскольку образцы, снятые с верхней части проточного канала, могут не улавливать более крупные твердые частицы с высокой плотностью, движущиеся по дну канала. Ведро для отбора проб интенсивно перемешивают, чтобы равномерно повторно суспендировать все собранные твердые частицы непосредственно перед заливкой объема, необходимого для заполнения конуса. Заполненный конус немедленно помещается в стационарную стойку для выдержки, чтобы обеспечить спокойное осаждение. Стойку следует располагать вдали от источников тепла, включая прямые солнечные лучи, которые могут вызвать токи внутри конуса из-за изменений тепловой плотности жидкого содержимого. Через 45 минут отстояконус частично вращается вокруг своей оси симметрии ровно настолько, чтобы сместить любой осевший материал, приставший к стороне конуса. Наблюдают и измеряют скопившийся осадок через пятнадцать минут, по прошествии одного часа общего времени оседания.[5]

См. Также [ править ]

  • Уравнение перетаскивания
  • Дзета-потенциал  - Электрокинетический потенциал в коллоидных дисперсиях.
  • Осаждение  - Склонность частиц в суспензии оседать
  • Отстойник
  • Суспензия (химия)  - Гетерогенная смесь твердых частиц, диспергированных в среде.
  • Общее количество взвешенных твердых частиц  - параметр качества воды

Ссылки [ править ]

  1. ^ Zegler, Франк; Бернард Куттер (02.09.2010). «Переход к архитектуре космического транспорта на базе депо» (PDF) . Конференция и выставка AIAA SPACE 2010 . AIAA. Архивировано из оригинального (PDF) 10 мая 2013 года . Проверено 25 января 2011 . Он потребляет отработанный водород и кислород для производства энергии, создания тяги для стабилизации и ориентации. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  2. ^ Мартин Родс. Введение в технологию частиц .
  3. ^ Химическая инженерия . 2 . Пергамский пресс. 1955 г.
  4. Перейти ↑ Robinson, J. (ed) (2006) "Oxford Companion to Wine", третье издание, стр. 223 Oxford University Press, ISBN 0-19-860990-6 
  5. ^ Фрэнсон, Мэри Энн (1975) Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 14-е издание, APHA, AWWA и WPCF ISBN 0-87553-078-8 стр. 89–91, 95–96 

Внешние ссылки [ править ]

  • Методология осажденных твердых веществ
  • Калькулятор предельной скорости по закону Стокса
  • Калькулятор конечной скорости оседания для всех чисел Рейнольдса
  • Затруднение отстаивания, конструкция сгустителя непрерывного действия Коу и Клевенджер