Tốc độ lắng

Tốc độ lắng đề cập đến tốc độ mà các hạt trong huyền phù hoặc bùn lắng xuống dưới tác động của trọng lực hoặc lực ly tâm. Khi các hạt lơ lửng trong môi trường lỏng, chúng có xu hướng lắng xuống do trọng lực hoặc lực ly tâm tác dụng trong các máy như máy ly tâm. Tốc độ xảy ra, được gọi là tốc độ lắng, thay đổi tùy thuộc vào một số yếu tố, bao gồm kích thước, mật độ, hình dạng và độ nhớt của chất lỏng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ lắng

Kích thước và hình dạng hạt

Các hạt lớn hơn và dày đặc hơn thường lắng xuống nhanh hơn do lực hấp dẫn tác dụng lên chúng tăng lên. Hình dạng của các hạt cũng đóng một vai trò. Các hạt hình cầu có xu hướng lắng xuống nhanh hơn các hạt có hình dạng không đều. Điều này là do các hạt hình cầu có lực cản ít hơn so với các hạt không hình cầu, cho phép chuyển động nhanh hơn trong chất lỏng.

Độ nhớt chất lỏng

Chất lỏng có độ nhớt cao hơn tạo ra nhiều lực cản chuyển động của hạt hơn, làm giảm tốc độ lắng. Trong các quy trình công nghiệp, việc chọn độ nhớt phù hợp là chìa khóa để tối ưu hóa quá trình tách và đạt được tốc độ lắng mong muốn.

Nhiệt độ

Nhiệt độ của chất lỏng có thể ảnh hưởng đến cả độ nhớt của chất lỏng và trạng thái lắng của các hạt. Nhiệt độ cao hơn thường làm giảm độ nhớt, do đó có thể làm tăng tốc độ lắng.

Lực ly tâm

Trong quá trình ly tâm, một ngoại lực mạnh được tác dụng để tăng tốc độ lắng. Tốc độ của máy ly tâm, trường hấp dẫn (lực G) và bán kính quay đều ảnh hưởng đến tốc độ các hạt lắng xuống trong máy tách ly tâm. Bằng cách điều chỉnh các thông số này, tốc độ lắng có thể được tăng cường đáng kể, khiến cho việc ly tâm trở thành một phương pháp hiệu quả để phân tách nhanh chóng.

Tốc độ lắng trong quá trình tách

Lắng đọng là một trong những kỹ thuật phân tách lâu đời và đơn giản nhất. Nó dựa vào sự khác biệt về mật độ của các hạt rắn và pha lỏng. Sự khác biệt này làm cho các hạt di chuyển xuống dưới và lắng xuống đáy thùng chứa, trong khi pha lỏng vẫn ở trên. Tốc độ xảy ra ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và thời gian cần thiết cho quá trình phân tách.

Trong phân tách công nghiệp, việc tăng tốc độ lắng cho phép xử lý nhanh hơn và phân tách hiệu quả hơn. Trong các quy trình như xử lý nước thải, nơi cần loại bỏ một lượng lớn bùn, tốc độ lắng cao đảm bảo rằng các chất gây ô nhiễm được tách ra khỏi nước một cách hiệu quả trong một khoảng thời gian ngắn.

Ly tâm là một quá trình phổ biến được sử dụng trong các ngành công nghiệp như sản xuất thực phẩm và dược phẩm, trong đó việc áp dụng lực quay tốc độ cao làm tăng đáng kể tốc độ lắng. Việc sử dụng máy tách ly tâm có thể tăng tốc quá trình phân tách mà nếu không sẽ mất nhiều thời gian hơn trong điều kiện hấp dẫn bình thường.

Lực tác dụng lên hạt trong quá trình lắng đọng

Một số lực tác động lên các hạt trong quá trình lắng, xác định tốc độ lắng của chúng:

Lực hấp dẫn (Trọng lượng): Lực kéo hạt hướng xuống dưới do trọng lực của Trái đất, tỷ lệ thuận với khối lượng của nó.

Lực nổi: Lực hướng lên do chất lỏng tác dụng chống lại trọng lực. Theo nguyên lý Archimedes, lực này bằng trọng lượng của chất lỏng bị dịch chuyển.

Lực kéo (Sức cản): Lực cản mà hạt trải qua khi nó di chuyển trong chất lỏng. Lực này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của hạt và độ nhớt của chất lỏng. Định luật Stokes thường được sử dụng để mô tả lực cản đối với các hạt nhỏ.

Sự cân bằng giữa các lực này quyết định tốc độ lắng. Khi lực hấp dẫn bằng lực nổi và lực kéo, hạt đạt vận tốc cuối hoặc tốc độ lắng.

Tính tốc độ lắng

Tốc độ lắng hoặc vận tốc cuối có thể được tính bằng Định luật Stokes đối với các hạt hình cầu nhỏ trong chất lỏng nhớt:

Ở đâu:
v là vận tốc lắng (tính bằng m/s),
r là bán kính của hạt (tính bằng mét),
ρparticleis mật độ của hạt (tính bằng kg/m³),
ρfluidis mật độ của chất lỏng (tính bằng kg/m³),
η là độ nhớt động lực của chất lỏng (tính bằng Pas),
g là gia tốc trọng trường (9,81 m/s2).

Phương trình này có thể áp dụng cho các hạt hình cầu nhỏ chuyển động với tốc độ chậm (số Reynolds thấp). Đối với các hạt không hình cầu hoặc vận tốc cao hơn, cần có các mô hình phức tạp hơn.

Tài nguyên
Rausch, W. (2016). Công nghệ tách hạt trong ngành hóa chất và dược phẩm. Nhà xuất bản quốc tế Springer.
Flottweg SE. (nd). Tốc độ lắng đọng – Tổng quan và tính toán. Lấy từ Wiki công nghệ tách Flottweg
Lowenberg, A. (2009). Nguyên tắc cơ bản của quá trình ly tâm: Phần 2 – Lắng đọng. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Giới thiệu về Lý thuyết chuyển động của hạt trong chất lỏng. Báo chí MIT.