Осажде́ние, седиментация (лат. sedimentum – оседание), гидромеханический процесс разделения дисперсной системы в соответствии с различной плотностью её компонентов, осуществляемый под действием гравитационных или центробежных сил либо под действием электрического поля. Различают три режима осаждения частиц дисперсной фазы, определяющие гидравлическое сопротивление при их движении: ламинарный, переходный, турбулентный. Для ламинарного режима ($10^{–4}< Re <2$, $Re$ – критерий Рейнольдса) зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от критерия Рейнольдса выражается уравнением $ξ = 24/Re$; для переходного ($2 < Re < 500$) – $ξ = 18,5/Re^{0,6}$. Для турбулентного режима ($500 < Re < 2·10^5$) коэффициент гидравлического сопротивления не зависит от критерия Рейнольдса: $ξ = 0,44$ (автомодельный режим). В основном при осаждении используют ламинарный, реже переходный режим.

Осаждение под действием гравитационных сил

Осаждение под действием гравитационных сил (отстаивание) – процесс выделения частиц из неоднородных систем, применяемый для сгущения, осветления или классификации. При сгущении и осветлении твёрдую фазу выделяют, не разделяя частицы по размерам; при классификации её делят на фракции по скорости осаждения либо по плотности. Скорость осаждения частиц при ламинарном режиме отстаивания описывается уравнением Стокса $v=d^2g\Delta\rho/18\mu$, где $d$ – диаметр осаждаемой частицы, $\Delta\rho$ – разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, $g$ – ускорение свободного падения, $\mu$ – динамическая вязкость среды. При этом в случае несферичности частиц вводится коэффициент формы $ψ=S_ш/S_ч$, где $S_ч$, $S_ш$ – площади поверхностей осаждаемой частицы и сферической частицы того же объёма.

Отстаивание является одним из самых дешёвых процессов и используется для разделения суспензий, пылей и эмульсий в отстойниках периодического и непрерывного действия. Процесс отделения твёрдой фазы суспензий от жидкой путём механического сливания жидкости с осадка называется декантацией. Для увеличения скорости осаждения мелкодисперсных частиц часто используют специальные вещества – коагулянты, способствующие объединению частиц между собой, что увеличивает массу осаждаемого агломерата.

Осаждение под действием центробежных сил

Осаждением в поле центробежных сил инерции разделяют суспензии, пыли и эмульсии, а также трёхкомпонентные и другие системы в том случае, когда размеры частиц дисперсной фазы не позволяют эффективно разделять их отстаиванием. Различают два способа разделения. Отстойное центрифугирование применяют чаще всего для осветления жидкости, содержащей незначительное количество дисперсной фазы – не более 5 %. В этом случае разделяемая смесь закручивается вместе с вращающимся ротором центрифуги, в который подаётся. В циклонном процессе осаждения смесь закручивается на входе в неподвижный аппарат.

Основными преимуществами центрифугирования являются малое количество материала в рабочем пространстве аппарата в момент его разделения, а также относительная кратковременность процесса. Параметром, характеризующим показатель центробежного разделения, является центробежный фактор ($K_ц$), он же центробежный критерий Фруда ($Fr_ц$), являющийся отношением центробежной силы, действующей на частицу в центробежном поле, к силе тяжести, действующей на ту же частицу в гравитационном поле. Центрифуги, для которых $K_ц$ менее 4000, условно называют нормальными центрифугами, при $K_ц$ от 4000 до десятков тысяч – сверхцентрифугами. Скорость осаждения частицы в центробежном поле может быть получена из скорости осаждения частицы в гравитационном поле, умноженной на $K_ц$.

Циклонные процессы осаждения осуществляют в циклонах и гидроциклонах, в которых создаётся два вращающихся потока: нисходящий, в котором происходит выделение дисперсной фазы, и восходящий, удаляющий очищенную жидкость из аппарата. Гидроциклонные аппараты просты и дёшевы в изготовлении, надёжны в эксплуатации, обладают высокой производительностью, компактны; при их использовании процессы разделения легко автоматизируются, соблюдаются необходимые санитарно-гигиенические нормы. Для увеличения качества разделения диаметр циклонов и гидроциклонов может быть уменьшен, а для обеспечения необходимой производительности они объединяются в комплексы с единым входом – батареи. Значения $K_ц$ в циклонных и гидроциклонных аппаратах изменяются от 500 до 2000, но могут достигать и 5000 (мультигидроциклоны).

Осаждение под действием электрического поля

Осаждение за счёт электрических сил осуществляется в электроосадителях (электрофильтрах). Разделению подвергаются дисперсные системы с размером частиц дисперсной фазы менее 10 мкм: туманы (мокрые электроосадители) и дымы (сухие электроосадители).

Электрофильтры на Череповецком металлургическом заводе. 1972.Электрофильтры на Череповецком металлургическом заводе. 1972.Принцип электроосаждения заключается в том, что газовый поток, содержащий дисперсные частицы, ионизируют. Различают ионизацию самостоятельную (за счёт коронного разряда между электродами при достижении высокой разности потенциалов на электродах) и несамостоятельную (под действием рентгеновских, УФ-лучей, частиц радиоактивного распада и др.). Из-за негативного влияния на окружающую среду и обслуживающий персонал несамостоятельная ионизация используется значительно реже, чем самостоятельная. При электроосаждении частицы приобретают отрицательный заряд и перемещаются к положительно заряженному электроду – стенке электроосадителя, где разряжаются и перемещаются в сборник. Электрозатраты на электроосаждение из 1000 м³ газа – 0,5–0,8 кВт·ч. Гидравлическое сопротивление электроосадителей незначительное (50–200 Па).

Применение

Осаждение широко используют для очистки газовых или жидких дисперсных систем от загрязняющих твёрдых частиц или взвешенных капель жидкости, а также для выделения из газовых или жидких фаз ценных компонентов.