Settling - Settling

Settedamm for jernpartikler ved vannverk

Settling er prosessen der partikler legger seg til bunnen av en væske og danner et sediment . Partikler som opplever en kraft, enten på grunn av tyngdekraften eller på grunn av sentrifugal bevegelse , har en tendens til å bevege seg på en jevn måte i retningen som den kraften utøver. For tyngdekraften legger seg, betyr dette at partiklene vil ha en tendens til å falle til bunnen av fartøyet og danne en oppslemming ved fartøyets base.

Settling er en viktig operasjon i mange programmer, for eksempel gruvedrift , avløpsvann behandling, biologisk vitenskap, plass driv antennelse, og scooping.

Fysikk

Krypende strøm forbi en kule: strømlinjeformer , dragkraft F _d og tyngdekraft F _g .

For sedimentering av partikler som vurderes individuelt, dvs. fortynnede partikkelløsninger, er det to hovedkrefter som påtar seg hvilken som helst partikkel. Den primære kraften er en påført kraft, for eksempel tyngdekraften, og en dragkraft som skyldes partikkels bevegelse gjennom væsken . Den påførte kraften påvirkes vanligvis ikke av partikkelhastigheten, mens dragkraften er en funksjon av partikkelhastigheten.

For en partikkel i ro vil ingen dragkraft bli vist, noe som får partikkelen til å akselerere på grunn av den påførte kraften. Når partikkelen akselererer, virker dragkraften i motsatt retning av partikkelens bevegelse, og bremser ytterligere akselerasjon, i fravær av andre krefter motvirker drag direkte den påførte kraften. Etter hvert som partikkelen øker i hastighet til slutt vil dragkraften og den påførte kraften tilnærmet likestille seg , noe som ikke forårsaker ytterligere endring i partikkelhastigheten. Denne hastigheten er kjent som terminalhastigheten , sedimenteringshastigheten eller fallhastigheten til partikkelen. Dette er lett å måle ved å undersøke fallhastigheten til individuelle partikler.

Terminalhastigheten til partikkelen påvirkes av mange parametere, dvs. alt som vil endre partikkelenes drag. Derfor er terminalhastigheten spesielt avhengig av kornstørrelse , form (rundhet og sfærisitet) og tetthet av kornene, samt viskositeten og tettheten til væsken.

Enkeltpartikkeldrag

Stokes 'drag

Dimensjonsløs kraft kontra Reynolds -tall for sfæriske partikler

For fortynnede suspensjoner forutsier Stokes 'lov sedimenteringshastigheten til små kuler i væske , enten luft eller vann. Dette oppstår på grunn av styrken til viskøse krefter på overflaten av partikkelen som gir størstedelen av den forsinkende kraften. Stokes lov finner mange anvendelser innen naturvitenskap, og er gitt av:

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

hvor w er setningshastigheten, ρ er tetthet (abonnementene p og f indikerer henholdsvis partikkel og væske), g er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, r er partikkelenes radius og μ er væskens dynamiske viskositet.

Stokes lov gjelder når Reynolds nummer , Re, på partikkelen er mindre enn 0,1. Eksperimentelt er det funnet at Stokes lov holder innen 1% for , innen 3% for og innen 9% . Med økende Reynolds -tall begynner Stokes lov å bryte sammen på grunn av den økende betydningen av flytende treghet, noe som krever bruk av empiriske løsninger for å beregne dragkrefter. ${\ displaystyle Re \ leq 0.1}$${\ displaystyle Re \ leq 0.5}$${\ displaystyle Re \ leq 1.0}$

Newtonsk drag

Definere en luftmotstandskoeffisient , , som forholdet mellom den kraft som oppleves av den partikkel dividert med anslagstrykket av fluidet, en koeffisient som kan betraktes som overføring av tilgjengelige fluidkraft til drag er etablert. I denne regionen er tregheten til den påvirkende væsken ansvarlig for størstedelen av kraftoverføringen til partikkelen. ${\ displaystyle C_ {d}}$

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

For en sfærisk partikkel i Stokes -regimet er denne verdien ikke konstant, men i det newtonske dragregimet kan drag på en sfære tilnærmes med en konstant, 0,44. Denne konstante verdien innebærer at effektiviteten ved overføring av energi fra væsken til partikkelen ikke er en funksjon av væskehastigheten.

Som sådan kan terminalhastigheten til en partikkel i et newtonsk regime igjen oppnås ved å likestille dragkraften til den påførte kraften, noe som resulterer i følgende uttrykk

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

Overgangsmotstand

I mellomområdet mellom Stokes drag og Newtonian drag eksisterer det et overgangsregime, der den analytiske løsningen på problemet med en fallende sfære blir problematisk. For å løse dette brukes empiriske uttrykk for å beregne drag i denne regionen. En slik empirisk ligning er den til Schiller og Naumann, og kan være gyldig for : ${\ displaystyle 0.2 \ leq Re \ leq 1000}$

${\ displaystyle {\ frac {F} {\ rho _ {f} U^{2} A}} = {\ frac {12} {\ mathrm {Re}}} \ venstre (1+0,15 \ mathrm {Re} ^{0.687} \ høyre).}$

Hindret bosetting

Stokes, overgangs- og newtonsk sedimentasjon beskriver oppførselen til en enkelt sfærisk partikkel i en uendelig væske, kjent som fri sedimentering. Imidlertid har denne modellen begrensninger i praktisk anvendelse. Alternative hensyn, for eksempel interaksjonen mellom partikler i væsken, eller samspillet mellom partiklene og beholderveggene kan endre sedimenteringsatferden. Bosetting som har disse kreftene i betydelig størrelse er kjent som hindret bosetting. Deretter kan semi-analytiske eller empiriske løsninger brukes til å utføre meningsfulle hindrede avregningsberegninger.

applikasjoner

Fastgassstrømningssystemene er til stede i mange industrielle applikasjoner, blant annet tørre, katalytiske reaktorer, sedimenteringstanker, pneumatisk transport av faste stoffer. I industrielle operasjoner er dragregelen åpenbart ikke enkel som en enkelt kule som legger seg i en stasjonær væske. Imidlertid indikerer denne kunnskapen hvordan drag oppfører seg i mer komplekse systemer, som er designet og studert av ingeniører som bruker empiriske og mer sofistikerte verktøy.

For eksempel, Bunnfellingstid tanker benyttes for separering av faste stoffer og / eller olje fra en annen væske. I næringsmiddelbehandling blir grønnsaken knust og plassert inne i en sedimenteringstank med vann. Oljen flyter til toppen av vannet og samles deretter opp. I vann og avfallsvannbehandlings et flokkuleringsmiddel tilsettes ofte før settling for dannelse av større partikler som bunnfelles raskt i en sedimenteringstank eller en skråplate bunnfellingsbeholder , slik at vannet med en lavere turbiditet .

I vinproduksjon er det franske begrepet for denne prosessen débourbage . Dette trinnet skjer vanligvis i produksjonen av hvitvin før gjæringen starter .

Analyse av faste stoffer

Settbare faste stoffer er partiklene som legger seg ut av et stille væske. Settbare faste stoffer kan kvantifiseres for en suspensjon ved hjelp av en Imhoff -kjegle. Standard Imhoff -kjegle av gjennomsiktig glass eller plast inneholder en liter væske og har kalibrerte markeringer for å måle volumet av faste stoffer som er akkumulert i bunnen av den koniske beholderen etter avsetting i en time. En standardisert Imhoff -kjegleprosedyre brukes ofte til å måle suspenderte faste stoffer i avløpsvann eller avrenning av regnvann . Enkelheten i metoden gjør den populær for å estimere vannkvaliteten . For å numerisk måle stabiliteten til suspenderte faste stoffer og forutsi agglomerering og sedimentasjonshendelser, blir zeta -potensialet ofte analysert. Denne parameteren indikerer den elektrostatiske frastøtningen mellom faste partikler og kan brukes til å forutsi om aggregering og sedimentering vil skje over tid.

Vannprøven som skal måles, skal være representativ for den totale strømmen. Prøver samles best ut fra utslippet som faller fra et rør eller over en stang, fordi prøver som er skummet fra toppen av en flytende kanal, kan mislykkes i å fange større faststoff med høy tetthet som beveger seg langs bunnen av kanalen. Prøvetakingsskuffen omrøres kraftig for å suspendere alle oppsamlede faste stoffer jevnt før det helles volumet som kreves for å fylle kjeglen. Den fylte kjeglen plasseres umiddelbart i et stasjonært holdehylle for å tillate avvikende sedimentering. Racket bør plasseres vekk fra varmekilder, inkludert direkte sollys, noe som kan forårsake strømmer i kjeglen fra endringer i termisk tetthet i væskeinnholdet. Etter 45 minutter med sedimentering roteres kjeglen delvis rundt symmetriaksen, akkurat nok til å løsne alt fast materiale som fester seg til siden av kjeglen. Akkumulert sediment observeres og måles femten minutter senere, etter en times total sedimenteringstid.

Se også

• Dra ligning
• Zeta -potensial  - Elektrokinetisk potensial i kolloidale dispersjoner
• Sedimentering  - Tendens til at partikler i suspensjon legger seg
• Settlingsbasseng
• Suspensjon (kjemi)  - Heterogen blanding av faste partikler dispergert i et medium
• Totalt suspenderte faste stoffer  - Vannkvalitetsparameter

Referanser

Eksterne linker

• Metodikk for fastgjørbare faste stoffer
• Stokes Law terminalhastighetskalkulator
• Terminal avregningshastighetskalkulator for alle Reynolds -tall
• Hindret sedimentering, design av et kontinuerlig fortykningsmiddel av Coe og Clevenger