Zawiesina

Zawiesina to niejednorodna mieszanina ciał stałych i cieczy. Zawieszone ciała stałe to cząstki stałe rozproszone w płynie. Dzięki przepływowi lub ruchom Browna cząstki mogą być utrzymywane w stanie zawieszenia. 

Wielkość cząstek waha się od kilku nanometrów do milimetrów. Najczęściej ciała stałe mają większą gęstość niż ciecz. W stanie spoczynku obowiązuje zasada: im mniejsze są cząstki, tym dłużej mogą pozostawać w zawieszeniu. Sedymentują one powoli. Natomiast większe cząstki sedymentują szybciej. Stężenie ciał stałych wpływa na lepkość, gęstość oraz transport ciepła i masy.

W technice mieszania dla „ciał stałych w formie zawieszonej” często stosuje się równania korelacyjne, np. dla minimalnej prędkości obrotowej niezbędnej do pełnego zawieszenia lub dla stężenia ciał stałych. Kluczowym podejściem jest korelacja Zwieteringa dla minimalnej prędkości obrotowej mieszadła. W tym stanie żadne cząstki nie zalegają już na dnie.

N_js = S · g^0,45 · (ρ_s −ρ_L)^0,45 · d_p^0,13 · X^0,13 ·ρ_L^−0,85 ·μ_L^0,20

• N_js = minimalna prędkość obrotowa do pełnego zawieszenia (s⁻¹ lub min⁻¹)
• S = empiryczny współczynnik geometryczny (zależny od typu mieszadła, zbiornika, elementów wewnętrznych)
• g = przyspieszenie ziemskie
• ρ_s = gęstość cząstek stałych
• ρ_L = gęstość cieczy
• d_p = średnica cząstek
• X = masowy udział ciał stałych (lub udział objętościowy, zależnie od formy korelacji)
• μ_L = lepkość dynamiczna cieczy

Gęstość efektywna zawiesiny:

ρ_mix = (1 − φ_s) · ρ_L + φ_s · ρ_s

• φ_s = udział objętościowy ciał stałych

Lepkość efektywna zawiesin o wysokim stężeniu (przykładowe podejście):

η_eff = η_L · (1 − φ_s / φ_max)^−[α]

• η_eff: efektywna (pozorna) lepkość zawiesiny
• η_L: lepkość fazy ciekłej (czysty płyn bez ciał stałych)
• φ_s: udział objętościowy cząstek stałych w zawiesinie (0…1)
• φ_max: maksymalny udział objętościowy upakowania ciał stałych (przy którym system „zapycha się” lub staje się silnie pastowaty; zależny od kształtu i rozkładu cząstek)
• α: wykładnik empiryczny (bezwymiarowy), opisujący jak silnie wzrasta lepkość wraz ze wzrostem φ_s; zazwyczaj wyznaczany na podstawie dopasowania do danych pomiarowych

Zawieszone ciała stałe występują w inżynierii chemicznej, spożywczej, farmaceutycznej i środowiskowej. Przykładami są szlamy (slurries), zawiesiny kryształów, kremy do opalania, dyspersje pigmentów i ścieki.