Sedimentationshastighet

Sedimentationshastighet avser den hastighet med vilken partiklar i en suspension eller slurry sedimenterar under påverkan av gravitation eller centrifugalkrafter. När partiklar suspenderas i ett flytande medium uppvisar de en tendens att sedimentera på grund av gravitation eller centrifugalkrafter som appliceras i maskiner som centrifuger. Hastigheten med vilken detta inträffar, känd som sedimentationshastigheten, varierar beroende på flera faktorer, inklusive partikelns storlek, densitet, form och vätskans viskositet.

Faktorer som påverkar sedimentationshastigheten

Partikelstorlek och form

Större och tätare partiklar sedimenterar i allmänhet snabbare på grund av ökade gravitationskrafter som verkar på dem. Formen på partiklarna spelar också en roll. Sfäriska partiklar tenderar att sedimentera snabbare än oregelbundet formade. Detta beror på att sfäriska partiklar möter mindre motstånd jämfört med icke-sfäriska, vilket möjliggör snabbare rörelse genom vätskan.

Flytande viskositet

Vätskor med högre viskositet skapar mer motstånd mot partikelrörelser, vilket minskar sedimentationshastigheten. I industriella processer är valet av rätt viskositet nyckeln till att optimera separationsprocessen och uppnå önskad sedimentationshastighet.

Temperatur

Vätskans temperatur kan påverka både vätskans viskositet och partiklarnas sedimenteringsbeteende. Högre temperaturer minskar generellt viskositeten, vilket i sin tur kan öka sedimentationshastigheten.

Centrifugalkraft

Vid centrifugering appliceras en kraftfull yttre kraft för att öka sedimentationshastigheten. Centrifugens hastighet, gravitationsfältet (G-kraft) och rotationsradien påverkar alla hur snabbt partiklar sedimenterar i en centrifugalseparator. Genom att manipulera dessa parametrar kan sedimentationshastigheterna ökas avsevärt, vilket gör centrifugering till en kraftfull metod för snabb separation.

Sedimentationshastighet i separationsprocesser

Sedimentering är en av de äldsta och enkla separationsteknikerna. Den förlitar sig på skillnaden i densiteten hos de fasta partiklarna och den flytande fasen. Denna skillnad gör att partiklarna rör sig nedåt och sätter sig i botten av en behållare, medan vätskefasen förblir ovanför. Den hastighet med vilken detta sker påverkar direkt effektiviteten och tiden som krävs för separationen.

Vid industriell separation möjliggör ökad sedimentationshastighet snabbare bearbetning och effektivare separation. I processer som rening av avloppsvatten, där stora mängder slam måste avlägsnas, säkerställer en hög sedimentationshastighet att föroreningar effektivt separeras från vattnet på kort tid.

Centrifugering är en vanlig process som används i industrier som livsmedelsproduktion och läkemedel, där tillämpningen av höghastighetsrotationskrafter dramatiskt ökar sedimentationshastigheten. Användningen av centrifugalseparatorer kan påskynda separationsprocesser som annars skulle ta mycket längre tid under normala gravitationsförhållanden.

Krafter som verkar på partikeln i sedimentation

Flera krafter verkar på partiklar under sedimentering och bestämmer hur snabbt de sätter sig:

Gravitationskraft (vikt): Den kraft som drar partikeln nedåt på grund av jordens gravitation, proportionell mot dess massa.

Flytkraft: Den uppåtriktade kraft som utövas av vätskan som motverkar gravitationen. Enligt Archimedes princip är denna kraft lika med vikten av den undanträngda vätskan.

Dragkraft (motstånd): Det motstånd som partikeln upplever när den rör sig genom vätskan. Denna kraft är beroende av partikelns storlek, form och vätskans viskositet. Stokes lag används ofta för att beskriva dragkraft för små partiklar.

Balansen mellan dessa krafter bestämmer sedimentationshastigheten. När gravitationskraften är lika med flytkraften och dragkraften når partikeln sin sluthastighet, eller sedimentationshastighet.

Beräkning av sedimentationshastighet

Sedimentationshastigheten, eller sluthastigheten, kan beräknas med Stokes lag för små sfäriska partiklar i en viskös vätska:

Var:
v är sedimentationshastigheten (i m/s),
r är partikelns radie (i meter),
ρpartikel är partikelns densitet (i kg/m³),
ρfluid är vätskans densitet (i kg/m³),
η är vätskans dynamiska viskositet (i Pas),
g är accelerationen på grund av gravitationen (9,81 m/s²).

Denna ekvation är tillämplig på små, sfäriska partiklar som rör sig med låga hastigheter (låga Reynolds-tal). För icke-sfäriska partiklar eller högre hastigheter krävs mer komplexa modeller.

Resurs
Rausch, W. (2016). Partikelseparationsteknologier inom den kemiska och farmaceutiska industrin. Springer International Publishing.
Flottweg SE. (n.d.). Sedimentationshastighet – Översikt och beräkning. Hämtad från Flottweg Separation Technology Wiki
Lowenberg, A. (2009). Fundamentals of Centrifugering: Del 2 – Sedimentering. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Introduktion till teorin om partikelrörelse i vätskor. MIT Tryck.