سرعت ته نشینی

سرعت ته نشینی به سرعتی اطلاق می شود که ذرات در یک سوسپانسیون یا دوغاب تحت تأثیر گرانش یا نیروهای گریز از مرکز ته نشین می شوند. هنگامی که ذرات در یک محیط مایع معلق می شوند، به دلیل گرانش یا نیروهای گریز از مرکز اعمال شده در ماشین هایی مانند سانتریفیوژ، تمایل به ته نشین شدن از خود نشان می دهند. سرعتی که در آن رخ می دهد، که به عنوان سرعت ته نشینی شناخته می شود، بسته به عوامل مختلفی از جمله اندازه ذرات، چگالی، شکل و ویسکوزیته مایع متفاوت است.

عوامل موثر بر سرعت رسوب گذاری

اندازه و شکل ذرات

ذرات بزرگتر و متراکم تر معمولاً به دلیل افزایش نیروهای گرانشی وارد بر آنها سریعتر ته نشین می شوند. شکل ذرات نیز نقش دارد. ذرات کروی زودتر از ذرات با شکل نامنظم ته نشین می شوند. این به این دلیل است که ذرات کروی در مقایسه با ذرات غیر کروی با مقاومت کمتری در برابر کشش روبرو هستند و امکان حرکت سریعتر در سیال را فراهم می کند.

ویسکوزیته مایع

سیالات با ویسکوزیته بالاتر مقاومت بیشتری در برابر حرکت ذرات ایجاد می کنند و سرعت ته نشینی را کاهش می دهند. در فرآیندهای صنعتی، انتخاب ویسکوزیته مناسب کلید بهینه سازی فرآیند جداسازی و دستیابی به نرخ رسوب مطلوب است.

دما

دمای مایع می تواند بر ویسکوزیته مایع و رفتار ته نشینی ذرات تأثیر بگذارد. دماهای بالاتر به طور کلی ویسکوزیته را کاهش می دهد که به نوبه خود می تواند سرعت ته نشینی را افزایش دهد.

نیروی گریز از مرکز

در سانتریفیوژ، یک نیروی خارجی قدرتمند برای افزایش سرعت ته نشینی اعمال می شود. سرعت سانتریفیوژ، میدان گرانشی (نیروی G) و شعاع چرخش همگی بر سرعت نشستن ذرات در جداکننده گریز از مرکز تأثیر می‌گذارند. با دستکاری این پارامترها، نرخ رسوب را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد و سانتریفیوژ را به روشی قدرتمند برای جداسازی سریع تبدیل کرد.

سرعت ته نشینی در فرآیندهای جداسازی

رسوب گذاری یکی از قدیمی ترین و ساده ترین روش های جداسازی است. این به تفاوت در چگالی ذرات جامد و فاز مایع بستگی دارد. این تفاوت باعث می شود که ذرات به سمت پایین حرکت کنند و در کف ظرف بنشینند، در حالی که فاز مایع در بالا باقی می ماند. سرعتی که این اتفاق می افتد به طور مستقیم بر کارایی و زمان لازم برای جداسازی تأثیر می گذارد.

در جداسازی صنعتی، افزایش سرعت ته نشینی امکان پردازش سریعتر و جداسازی کارآمدتر را فراهم می کند. در فرآیندهایی مانند تصفیه فاضلاب، که در آن مقادیر زیادی لجن باید حذف شود، سرعت ته نشینی بالا تضمین می کند که آلاینده ها به طور موثر در مدت زمان کوتاهی از آب جدا می شوند.

سانتریفیوژ یک فرآیند متداول است که در صنایعی مانند تولید مواد غذایی و داروسازی مورد استفاده قرار می گیرد، جایی که اعمال نیروهای چرخشی با سرعت بالا به طور چشمگیری سرعت ته نشینی را افزایش می دهد. استفاده از جداکننده‌های گریز از مرکز می‌تواند فرآیندهای جداسازی را تسریع بخشد که در غیر این صورت در شرایط گرانشی معمولی بسیار طولانی‌تر طول می‌کشد.

نیروهای وارد بر ذره در رسوب

چندین نیرو در طول ته نشینی بر ذرات وارد می شوند و تعیین می کنند که چقدر سریع ته نشین می شوند:

نیروی گرانشی (وزن): نیرویی که ذره را در اثر گرانش زمین به سمت پایین می کشد، متناسب با جرم آن.

نیروی شناور: نیروی رو به بالا که توسط سیال مخالف گرانش اعمال می شود. طبق اصل ارشمیدس، این نیرو برابر با وزن سیال جابجا شده است.

نیروی کششی (مقاومت): مقاومتی که ذره هنگام حرکت در سیال تجربه می کند. این نیرو به اندازه ذره، شکل و ویسکوزیته سیال بستگی دارد. قانون استوکس معمولاً برای توصیف نیروی پسا برای ذرات کوچک استفاده می شود.

تعادل بین این نیروها سرعت ته نشینی را تعیین می کند. هنگامی که نیروی گرانش با نیروی شناوری و نیروی پسا برابری می کند، ذره به سرعت نهایی یا سرعت ته نشینی خود می رسد.

محاسبه سرعت ته نشینی

سرعت ته نشینی یا سرعت نهایی را می توان با استفاده از قانون استوکس برای ذرات کروی کوچک در یک سیال چسبناک محاسبه کرد:

کجا:
v سرعت رسوب (بر حسب متر بر ثانیه) است.
r شعاع ذره (بر حسب متر) است.
ρذره چگالی ذره است (بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب)،
ρسیال چگالی سیال (بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب)،
η ویسکوزیته دینامیکی سیال است (به پاس)،
g شتاب ناشی از گرانش (9.81 m/s²) است.

این معادله برای ذرات کوچک کروی که با سرعت کم حرکت می کنند (اعداد رینولدز کم) قابل اجرا است. برای ذرات غیر کروی یا سرعت های بالاتر، مدل های پیچیده تری مورد نیاز است.

منبع
راوش، دبلیو (2016). فن آوری های جداسازی ذرات در صنایع شیمیایی و دارویی. انتشارات بین المللی Springer.
Flottweg SE. (n.d.). سرعت رسوب - بررسی و محاسبه برگرفته از ویکی فناوری جداسازی Flottweg
لوونبرگ، ا. (2009). مبانی سانتریفیوژ: بخش 2 - ته نشینی. Springer-Verlag برلین هایدلبرگ.
کونو، اچ (2001). مقدمه ای بر تئوری حرکت ذرات در سیالات. MIT Press.