الاستقرار

الترسيب هو العملية التي تتحرك بها الجسيمات نحو قاع السائل لتكوين رواسب . تميل الجسيمات التي تتعرض لقوة، سواءً كانت ناتجة عن الجاذبية أو عن الحركة الطاردة المركزية، إلى التحرك بشكل منتظم في اتجاه تلك القوة. في حالة الترسيب بفعل الجاذبية، يعني هذا أن الجسيمات تميل إلى السقوط إلى قاع الوعاء، مكونةً حمأة أو معلقًا في قاع الوعاء. يُعد الترسيب عمليةً مهمةً في العديد من التطبيقات، مثل التعدين ، ومعالجة مياه الصرف الصحي ومياه الشرب ، والعلوم البيولوجية، وإعادة إشعال وقود المركبات الفضائية ، ^{[ 1 ]} والتجريف.

بالنسبة للجسيمات المترسبة التي تُدرس بشكل فردي، أي محاليل الجسيمات المخففة، توجد قوتان رئيسيتان تؤثران على أي جسيم. القوة الأساسية هي قوة خارجية، مثل الجاذبية، وقوة مقاومة ناتجة عن حركة الجسيم عبر السائل . عادةً لا تتأثر القوة الخارجية بسرعة الجسيم، بينما تعتمد قوة المقاومة على سرعة الجسيم.

بالنسبة لجسيم ساكن، لا توجد قوة مقاومة، مما يؤدي إلى تسارعه بفعل القوة المؤثرة. وعندما يتسارع الجسيم، تعمل قوة المقاومة في الاتجاه المعاكس لحركته، مما يعيق تسارعه، وفي غياب قوى أخرى، تعاكس المقاومة القوة المؤثرة بشكل مباشر. ومع ازدياد سرعة الجسيم، تتساوى قوة المقاومة والقوة المؤثرة تقريبًا ، فلا يحدث أي تغيير إضافي في سرعة الجسيم. تُعرف هذه السرعة بالسرعة النهائية ، أو سرعة الاستقرار ، أو سرعة السقوط . ويمكن قياسها بسهولة من خلال دراسة معدل سقوط الجسيمات الفردية.

تتأثر السرعة النهائية للجسيم بالعديد من العوامل، أي أي شيء من شأنه أن يغير مقاومة الجسيم. ولذلك، تعتمد السرعة النهائية بشكل ملحوظ على حجم الحبيبات وشكلها (استدارتها وكرويتها) وكثافتها، بالإضافة إلى لزوجة السائل وكثافته .

مقاومة الجسيمات المفردة

سحب ستوكس

بالنسبة للمحاليل المعلقة المخففة، يتنبأ قانون ستوكس بسرعة ترسب الكرات الصغيرة في السوائل ، سواءً كانت هواءً أو ماءً. ويعود ذلك إلى قوة قوى اللزوجة على سطح الجسيم، والتي تُشكل الجزء الأكبر من قوة الكبح. يُستخدم قانون ستوكس في العديد من التطبيقات في العلوم الطبيعية، ويُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle w={\frac {2(\rho _{p}-\rho _{f})gr^{2}}{9\mu }}}$

حيث w هي سرعة الترسيب، وρ هي الكثافة (تشير الرموز السفلية p و f إلى الجسيم والسائل على التوالي)، و g هي التسارع الناتج عن الجاذبية، وr هو نصف قطر الجسيم و μ هي اللزوجة الديناميكية للسائل.

ينطبق قانون ستوكس عندما يكون عدد رينولدز (Re) للجسيم أقل من 0.1. وقد وُجد تجريبياً أن قانون ستوكس ينطبق في حدود 1% لـ${\displaystyle Re\leq 0.1}$، في حدود 3% لـ${\displaystyle Re\leq 0.5}$ وفي حدود 9%${\displaystyle Re\leq 1.0}$[ ^{2 ] مع} زيادة أرقام رينولدز، يبدأ قانون ستوكس في الانهيار بسبب الأهمية المتزايدة لقصور السوائل، مما يتطلب استخدام الحلول التجريبية لحساب قوى السحب.

مقاومة نيوتن

تعريف معامل السحب ،${\displaystyle C_{d}}$وباعتبارها نسبة القوة المؤثرة على الجسيم مقسومة على ضغط اصطدام السائل، يتم تحديد معامل يمكن اعتباره تحويل قوة السائل المتاحة إلى قوة سحب. في هذه المنطقة، يكون قصور السائل المصطدم مسؤولاً عن الجزء الأكبر من نقل القوة إلى الجسيم.

${\displaystyle C_{d}={\frac {F_{d}}{{\frac {1}{2}}\rho _{f}U^{2}A}}}$

بالنسبة لجزيء كروي في نظام ستوكس، لا تكون هذه القيمة ثابتة، ولكن في نظام السحب النيوتوني، يمكن تقريب السحب على الكرة بقيمة ثابتة، وهي 0.44. تشير هذه القيمة الثابتة إلى أن كفاءة نقل الطاقة من المائع إلى الجزيء ليست دالة لسرعة المائع.

وبالتالي، يمكن الحصول على السرعة النهائية للجسيم في نظام نيوتني مرة أخرى عن طريق مساواة قوة السحب بالقوة المؤثرة، مما ينتج عنه التعبير التالي

${\displaystyle w=2.46\left({\frac {(\rho _{p}-\rho _{f})gr}{\rho _{f}}}\right)^{\frac {1}{2}}.}$

السحب الانتقالي

في المنطقة المتوسطة بين مقاومة ستوكس ومقاومة نيوتن، توجد منطقة انتقالية يصبح فيها الحل التحليلي لمسألة سقوط كرة أمرًا صعبًا. ولحل هذه المشكلة، تُستخدم تعابير تجريبية لحساب المقاومة في هذه المنطقة. إحدى هذه المعادلات التجريبية هي معادلة شيلر ونومان، والتي قد تكون صالحة لـ${\displaystyle 0.2\leq Re\leq 1000}$: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\frac {F}{\rho _{f}U^{2}A}}={\frac {12}{\mathrm {Re} }}\left(1+0.15\mathrm {Re} ^{0.687}\right).}$

تُستخدم أنظمة تدفق المواد الصلبة والغازية في العديد من التطبيقات الصناعية، مثل المفاعلات التحفيزية الجافة، وخزانات الترسيب، والنقل الهوائي للمواد الصلبة، وغيرها. من الواضح أن قانون السحب في العمليات الصناعية ليس بسيطًا ككرة واحدة تترسب في سائل ساكن. ومع ذلك، تُشير هذه المعرفة إلى كيفية سلوك السحب في الأنظمة الأكثر تعقيدًا، والتي يصممها ويدرسها المهندسون باستخدام أدوات تجريبية وأكثر تطورًا.

على سبيل المثال، تُستخدم خزانات الترسيب لفصل المواد الصلبة و/أو الزيت عن السوائل الأخرى. في صناعة الأغذية ، تُهرس الخضراوات وتوضع داخل خزان الترسيب مع الماء. يطفو الزيت على سطح الماء ثم يُجمع. في معالجة مياه الشرب ومياه الصرف الصحي ، يُضاف عادةً مُرسب أو مُخثر قبل الترسيب لتكوين جزيئات أكبر تترسب بسرعة في خزان الترسيب أو جهاز الترسيب الصفائحي ، مما يُقلل من عكارة الماء .

في صناعة النبيذ ، يُطلق على هذه العملية في اللغة الفرنسية اسم "ديبورباج" . تحدث هذه الخطوة عادةً في إنتاج النبيذ الأبيض قبل بدء عملية التخمير . ^{[ 4 ]}

• معادلة السحب – معادلة قوة السحب 
• جهد زيتا – الجهد الكهروكينيتيكي في التشتتات الغروية 
• الترسيب – ميل الجزيئات العالقة إلى الترسيب 
• حوض الترسيب – هيكل معالجة مياه الصرف الصحي 
• المعلق (الكيمياء) - خليط غير متجانس من الجسيمات الصلبة المنتشرة في وسط 
• إجمالي المواد الصلبة العالقة – أحد معايير جودة المياه 

• منهجية المواد الصلبة القابلة للترسيب
• حاسبة السرعة النهائية لقانون ستوكس
• حاسبة سرعة الترسيب النهائية لجميع أرقام رينولدز
• الترسيب المعاق، تصميم مُكثِّف مستمر بواسطة كو وكليفنجر