Sedimentatie snelheid

Sedimentatiesnelheid heeft betrekking op de snelheid waarmee deeltjes in een suspensie of slurry bezinken onder invloed van de zwaartekracht of middelpuntvliedende krachten. Wanneer deeltjes in een vloeibaar medium worden gesuspendeerd, vertonen ze de neiging om te bezinken als gevolg van de zwaartekracht of centrifugale krachten die worden uitgeoefend in machines zoals centrifuges. De snelheid waarmee dit gebeurt, bekend als de sedimentatiesnelheid, varieert afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de grootte, dichtheid, vorm en de viscositeit van de vloeistof van het deeltje.

Factoren die de sedimentatiesnelheid beïnvloeden

Deeltjesgrootte en vorm

Grotere en dichtere deeltjes bezinken over het algemeen sneller als gevolg van de toegenomen zwaartekracht die erop inwerkt. Ook de vorm van de deeltjes speelt een rol. Bolvormige deeltjes hebben de neiging sneller te bezinken dan onregelmatig gevormde deeltjes. Dit komt omdat bolvormige deeltjes minder weerstand hebben tegen weerstand in vergelijking met niet-bolvormige deeltjes, waardoor een snellere beweging door de vloeistof mogelijk is.

Vloeibare viscositeit

Vloeistoffen met een hogere viscositeit creëren meer weerstand tegen deeltjesbeweging, waardoor de sedimentatiesnelheid afneemt. Bij industriële processen is het kiezen van de juiste viscositeit de sleutel tot het optimaliseren van het scheidingsproces en het bereiken van de gewenste sedimentatiesnelheid.

Temperatuur

De temperatuur van de vloeistof kan zowel de viscositeit van de vloeistof als het bezinkingsgedrag van de deeltjes beïnvloeden. Hogere temperaturen verminderen over het algemeen de viscositeit, wat op zijn beurt de sedimentatiesnelheid kan verhogen.

Centrifugale kracht

Bij het centrifugeren wordt een krachtige externe kracht uitgeoefend om de sedimentatiesnelheid te verhogen. De snelheid van de centrifuge, het zwaartekrachtveld (G-kracht) en de rotatieradius hebben allemaal invloed op hoe snel deeltjes bezinken in een centrifugaalscheider. Door deze parameters te manipuleren kunnen de sedimentatiesnelheden aanzienlijk worden verhoogd, waardoor centrifugatie een krachtige methode voor snelle scheiding wordt.

Sedimentatiesnelheid bij scheidingsprocessen

Sedimentatie is een van de oudste en eenvoudigste scheidingstechnieken. Het is afhankelijk van het verschil in dichtheid van de vaste deeltjes en de vloeibare fase. Dit verschil zorgt ervoor dat de deeltjes naar beneden bewegen en zich op de bodem van een container nestelen, terwijl de vloeibare fase erboven blijft. De snelheid waarmee dit gebeurt, heeft rechtstreeks invloed op de efficiëntie en tijd die nodig is voor de scheiding.

Bij industriële scheiding zorgt het verhogen van de sedimentatiesnelheid voor snellere verwerking en efficiëntere scheiding. Bij processen als afvalwaterzuivering, waarbij grote hoeveelheden slib moeten worden verwijderd, zorgt een hoge bezinkingssnelheid ervoor dat verontreinigingen in korte tijd effectief uit het water worden gescheiden.

Centrifugatie is een veelgebruikt proces dat wordt gebruikt in industrieën zoals de voedselproductie en de farmaceutische industrie, waar de toepassing van hoge rotatiekrachten de sedimentatiesnelheid dramatisch verhoogt. Het gebruik van centrifugaalscheiders kan scheidingsprocessen versnellen die anders onder normale zwaartekrachtomstandigheden veel langer zouden duren.

Krachten die inwerken op het deeltje in sedimentatie

Tijdens sedimentatie werken er verschillende krachten op deeltjes, die bepalen hoe snel ze bezinken:

Zwaartekracht (gewicht): De kracht die het deeltje naar beneden trekt als gevolg van de zwaartekracht van de aarde, evenredig met zijn massa.

Drijvende kracht: De opwaartse kracht die wordt uitgeoefend door de vloeistof die de zwaartekracht tegenwerkt. Volgens het principe van Archimedes is deze kracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof.

Sleepkracht (weerstand): De weerstand die het deeltje ondervindt terwijl het door de vloeistof beweegt. Deze kracht is afhankelijk van de grootte, vorm en de viscositeit van de vloeistof van het deeltje. De wet van Stokes wordt vaak gebruikt om de sleepkracht voor kleine deeltjes te beschrijven.

Het evenwicht tussen deze krachten bepaalt de sedimentatiesnelheid. Wanneer de zwaartekracht gelijk is aan de opwaartse kracht en de weerstandskracht, bereikt het deeltje zijn eindsnelheid of sedimentatiesnelheid.

Berekening van de sedimentatiesnelheid

De sedimentatiesnelheid, of eindsnelheid, kan worden berekend met behulp van de wet van Stokes voor kleine bolvormige deeltjes in een stroperige vloeistof:

Waar:
v is de sedimentatiesnelheid (in m/s),
r is de straal van het deeltje (in meters),
ρdeeltjeis de dichtheid van het deeltje (in kg/m³),
ρfluidis de dichtheid van de vloeistof (in kg/m³),
η is de dynamische viscositeit van de vloeistof (in Pas),
g is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht (9,81 m/s²).

Deze vergelijking is van toepassing op kleine, bolvormige deeltjes die met lage snelheden bewegen (lage Reynoldsgetallen). Voor niet-sferische deeltjes of hogere snelheden zijn complexere modellen vereist.

Bron
Rausch, W. (2016). Deeltjesscheidingstechnologieën in de chemische en farmaceutische industrie. Springer Internationale Uitgeverij.
Flottweg SE. (n.d.). Sedimentatiesnelheid – Overzicht en berekening. Opgehaald van Flottweg Separation Technology Wiki
Löwenberg, A. (2009). Grondbeginselen van centrifugeren: deel 2 – sedimentatie. Springer-Verlag Berlijn Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Inleiding tot de theorie van deeltjesbeweging in vloeistoffen. MIT Druk op.