Vitesse de sédimentation

La vitesse de sédimentation fait référence à la vitesse à laquelle les particules d'une suspension ou d'une boue se déposent sous l'influence de la gravité ou des forces centrifuges. Lorsque les particules sont en suspension dans un milieu liquide, elles ont tendance à se déposer en raison de la gravité ou des forces centrifuges appliquées dans des machines telles que les centrifugeuses. La vitesse à laquelle cela se produit, appelée vitesse de sédimentation, varie en fonction de plusieurs facteurs, notamment la taille, la densité, la forme et la viscosité du liquide des particules.

Facteurs influençant la vitesse de sédimentation

Taille et forme des particules

Les particules plus grosses et plus denses se déposent généralement plus rapidement en raison de l’augmentation des forces gravitationnelles agissant sur elles. La forme des particules joue également un rôle. Les particules sphériques ont tendance à se déposer plus rapidement que celles de forme irrégulière. En effet, les particules sphériques sont confrontées à moins de résistance à la traînée que les particules non sphériques, ce qui permet un mouvement plus rapide dans le fluide.

Viscosité du liquide

Les fluides à viscosité plus élevée créent plus de résistance au mouvement des particules, réduisant ainsi la vitesse de sédimentation. Dans les procédés industriels, le choix de la bonne viscosité est essentiel pour optimiser le processus de séparation et atteindre la vitesse de sédimentation souhaitée.

Température

La température du liquide peut influencer à la fois la viscosité du liquide et le comportement de sédimentation des particules. Des températures plus élevées réduisent généralement la viscosité, ce qui peut augmenter la vitesse de sédimentation.

Force centrifuge

Lors de la centrifugation, une puissante force externe est appliquée pour augmenter la vitesse de sédimentation. La vitesse de la centrifugeuse, le champ gravitationnel (force G) et le rayon de rotation ont tous un impact sur la rapidité avec laquelle les particules se déposent dans un séparateur centrifuge. En manipulant ces paramètres, les vitesses de sédimentation peuvent être considérablement améliorées, faisant de la centrifugation une méthode puissante pour une séparation rapide.

Vitesse de sédimentation dans les processus de séparation

La sédimentation est l’une des techniques de séparation les plus anciennes et les plus simples. Cela repose sur la différence de densité des particules solides et de la phase liquide. Cette différence fait que les particules descendent et se déposent au fond d'un récipient, tandis que la phase liquide reste au-dessus. La vitesse à laquelle cela se produit affecte directement l’efficacité et le temps requis pour la séparation.

Dans la séparation industrielle, l’augmentation de la vitesse de sédimentation permet un traitement plus rapide et une séparation plus efficace. Dans des processus tels que le traitement des eaux usées, où de grandes quantités de boues doivent être éliminées, une vitesse de sédimentation élevée garantit que les contaminants sont efficacement séparés de l'eau en peu de temps.

La centrifugation est un processus couramment utilisé dans des industries telles que la production alimentaire et pharmaceutique, où l'application de forces de rotation à grande vitesse augmente considérablement la vitesse de sédimentation. L’utilisation de séparateurs centrifuges peut accélérer les processus de séparation qui prendraient autrement beaucoup plus de temps dans des conditions gravitationnelles normales.

Forces agissant sur la particule en sédimentation

Plusieurs forces agissent sur les particules lors de la sédimentation, déterminant la rapidité avec laquelle elles se déposent :

Force gravitationnelle (poids) : Force tirant la particule vers le bas en raison de la gravité terrestre, proportionnelle à sa masse.

Force de poussée : force ascendante exercée par le fluide qui s'oppose à la gravité. Selon le principe d’Archimède, cette force est égale au poids du fluide déplacé.

Force de traînée (résistance) : La résistance subie par la particule lorsqu'elle se déplace dans le fluide. Cette force dépend de la taille, de la forme et de la viscosité du fluide. La loi de Stokes est couramment utilisée pour décrire la force de traînée des petites particules.

L'équilibre entre ces forces détermine la vitesse de sédimentation. Lorsque la force gravitationnelle est égale à la force de poussée et à la force de traînée, la particule atteint sa vitesse terminale, ou vitesse de sédimentation.

Calcul de la vitesse de sédimentation

La vitesse de sédimentation, ou vitesse terminale, peut être calculée à l’aide de la loi de Stokes pour les petites particules sphériques dans un fluide visqueux :

Où :
v est la vitesse de sédimentation (en m/s),
r est le rayon de la particule (en mètres),
ρparticuleest la densité de la particule (en kg/m³),
ρfluidiest la densité du fluide (en kg/m³),
η est la viscosité dynamique du fluide (en Pas),
g est l'accélération due à la gravité (9,81 m/s²).

Cette équation est applicable aux petites particules sphériques se déplaçant à des vitesses lentes (faibles nombres de Reynolds). Pour les particules non sphériques ou les vitesses plus élevées, des modèles plus complexes sont nécessaires.

Ressource
En ligneRausch, W. (2016). Technologies de séparation des particules dans les industries chimiques et pharmaceutiques. Éditions internationales Springer.
Flottweg SE. (s.d.). Vitesse de sédimentation – Présentation et calcul. Récupéré du wiki de technologie de séparation Flottweg
Löwenberg, A. (2009). Fondamentaux de la centrifugation : Partie 2 – Sédimentation. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Introduction à la théorie du mouvement des particules dans les fluides. Presse du MIT.