Взвешенные твердые вещества

Суспензия — это гетерогенная смесь твердых веществ и жидкости. Взвешенные твердые вещества — это твердые частицы, диспергированные в текучей среде. Частицы могут удерживаться во взвешенном состоянии за счет потока или броуновского движения. 

Размер частиц варьируется от нескольких нанометров до миллиметров. В большинстве случаев плотность твердых веществ выше плотности жидкости. В этом случае для состояния покоя справедливо следующее: чем меньше частицы, тем дольше они могут оставаться во взвешенном состоянии. Они седиментируют (оседают) медленно. Крупные частицы, напротив, седиментируют быстрее. Концентрация твердых веществ влияет на вязкость, плотность, а также на тепло- и массообмен.

Для «твердых веществ во взвешенном состоянии» в технике перемешивания часто используются корреляционные уравнения, например, для минимальной частоты вращения для полного суспендирования или для концентрации твердых веществ. Основным подходом является корреляция Цвитеринга для минимальной частоты вращения мешалки. При этом частицы больше не лежат на дне.

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 = минимальная частота вращения для полного суспендирования (с⁻¹ или мин⁻¹)
• S = эмпирический геометрический коэффициент (зависит от типа мешалки, емкости, внутренних устройств)
• g = ускорение свободного падения
• ρ_s = плотность твердых частиц
• ρ_L = плотность жидкости
• d_p = диаметр частиц
• X = массовая доля твердого вещества (или объемная доля, в зависимости от формы корреляции)
• μ_L = динамическая вязкость жидкости

Эффективная плотность суспензии:

ρ_mix = (1 − φ_s) · ρ_L + φ_s · ρ_s

• φ_s = объемная доля твердого вещества

Эффективная вязкость высококонцентрированных суспензий (пример подхода):

η_eff = η_L · (1 − φ_s / φ_max)^−[α]

• η_eff: эффективная (кажущаяся) вязкость суспензии
• η_L: вязкость жидкой фазы (чистая жидкость без твердых веществ)
• φ_s: объемная доля твердых частиц в суспензии (0…1)
• φ_max: максимально возможная объемная доля твердого вещества (при которой система «забивается» или становится сильно пастообразной; зависит от формы и распределения частиц)
• α: эмпирический показатель степени (безразмерный), описывающий, насколько сильно вязкость увеличивается с ростом φ_s; обычно определяется на основе аппроксимации данных измерений

Взвешенные твердые вещества встречаются в химической, пищевой, фармацевтической промышленности и в экологических технологиях. Примерами являются шламы (пульпы), кристаллические суспензии, солнцезащитный крем, пигментные дисперсии и сточные воды.