Sedimentationshastighed

Sedimentationshastighed refererer til den hastighed, hvormed partikler i en suspension eller gylle bundfældes under påvirkning af tyngdekraften eller centrifugalkræfterne. Når partikler er suspenderet i et flydende medium, udviser de en tendens til at bundfælde sig på grund af tyngdekraften eller centrifugalkræfter påført i maskiner som centrifuger. Den hastighed, hvormed dette sker, kendt som sedimentationshastigheden, varierer afhængigt af flere faktorer, herunder partiklernes størrelse, tæthed, form og væskens viskositet.

Faktorer, der påvirker sedimentationshastighed

Partikelstørrelse og form

Større og tættere partikler sætter sig generelt hurtigere på grund af øgede gravitationskræfter, der virker på dem. Partiklernes form spiller også en rolle. Kugleformede partikler har en tendens til at sætte sig hurtigere end uregelmæssigt formede. Dette skyldes, at sfæriske partikler står over for mindre modstand i forhold til ikke-sfæriske partikler, hvilket muliggør hurtigere bevægelse gennem væsken.

Flydende viskositet

Væsker med højere viskositet skaber mere modstand mod partikelbevægelser, hvilket reducerer sedimentationshastigheden. I industrielle processer er valg af den rigtige viskositet nøglen til at optimere separationsprocessen og opnå den ønskede sedimentationshastighed.

Temperatur

Væskens temperatur kan påvirke både væskens viskositet og partiklernes bundfældningsadfærd. Højere temperaturer reducerer generelt viskositeten, hvilket igen kan øge sedimentationshastigheden.

Centrifugalkraft

Ved centrifugering påføres en kraftig ekstern kraft for at øge sedimentationshastigheden. Centrifugens hastighed, tyngdefeltet (G-kraft) og rotationsradius påvirker alle, hvor hurtigt partikler sætter sig i en centrifugalseparator. Ved at manipulere disse parametre kan sedimentationshastigheder øges betydeligt, hvilket gør centrifugering til en effektiv metode til hurtig separation.

Sedimentationshastighed i separationsprocesser

Sedimentation er en af de ældste og ligetil adskillelsesteknikker. Den er afhængig af forskellen i densiteten af ​​de faste partikler og den flydende fase. Denne forskel får partiklerne til at bevæge sig nedad og sætte sig i bunden af ​​en beholder, mens væskefasen forbliver ovenover. Den hastighed, hvormed dette sker, påvirker direkte effektiviteten og den tid, der kræves til adskillelsen.

Ved industriel separation giver øget sedimentationshastighed mulighed for hurtigere behandling og mere effektiv separation. I processer som spildevandsrensning, hvor store mængder slam skal fjernes, sikrer en høj sedimentationshastighed, at forurenende stoffer effektivt adskilles fra vandet på kort tid.

Centrifugering er en almindelig proces, der anvendes i industrier som fødevareproduktion og farmaceutiske produkter, hvor anvendelsen af ​​højhastighedsrotationskræfter dramatisk øger sedimentationshastigheden. Brugen af ​​centrifugalseparatorer kan fremskynde separationsprocesser, der ellers ville tage meget længere tid under normale gravitationsforhold.

Kræfter, der virker på partiklen i sedimentation

Flere kræfter virker på partikler under sedimentering og bestemmer, hvor hurtigt de bundfælder:

Gravitationskraft (vægt): Den kraft, der trækker partiklen nedad på grund af jordens tyngdekraft, proportional med dens masse.

Flydekraft: Den opadgående kraft, der udøves af væsken, der modarbejder tyngdekraften. Ifølge Archimedes’ princip er denne kraft lig med vægten af ​​den fortrængte væske.

Trækkraft (modstand): Den modstand, som partiklen oplever, når den bevæger sig gennem væsken. Denne kraft er afhængig af partiklernes størrelse, form og væskens viskositet. Stokes' lov bruges almindeligvis til at beskrive trækkraft for små partikler.

Balancen mellem disse kræfter bestemmer sedimentationshastigheden. Når tyngdekraften er lig med flydekraften og trækkraften, når partiklen sin terminale hastighed eller sedimentationshastighed.

Beregning af sedimentationshastighed

Sedimentationshastigheden eller terminalhastigheden kan beregnes ved hjælp af Stokes' lov for små sfæriske partikler i en viskøs væske:

Hvor:
v er sedimentationshastigheden (i m/s),
r er radius af partiklen (i meter),
ρpartikel er densiteten af partiklen (i kg/m³),
ρfluidis væskens massefylde (i kg/m³),
η er væskens dynamiske viskositet (i Pas),
g er tyngdeaccelerationen (9,81 m/s²).

Denne ligning er anvendelig for små, sfæriske partikler, der bevæger sig ved langsomme hastigheder (lave Reynolds-tal). For ikke-sfæriske partikler eller højere hastigheder kræves mere komplekse modeller.

Ressource
Rausch, W. (2016). Partikelseparationsteknologier i den kemiske og farmaceutiske industri. Springer International Publishing.
Flottweg SE. (n.d.). Sedimentationshastighed – Oversigt og beregning. Hentet fra Flottweg Separation Technology Wiki
Lowenberg, A. (2009). Fundamentals of Centrifugering: Del 2 - Sedimentation. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Introduktion til teorien om partikelbevægelse i væsker. MIT Tryk.