第三章 非均相混合物分离及固体流态化
1．颗粒在流体中做自由沉降，试计算（1）密度为2 650 kg/m 3，直径为0.04 mm 的球形石英颗粒在20 ℃空气中自由沉降，沉降速度是多少？（2）密度为2 650 kg/m 3，球形度6.0=φ的非球形颗粒在20 ℃
清水中的沉降速度为0.1 m/ s ，颗粒的等体积当量直径是多少？（3）密度为7 900 kg/m 3，直径为6.35 mm 的钢球在密度为1 600 kg/m 3
的液体中沉降150 mm 所需的时间为7.32 s ，液体的黏度是多少？
解：（1）假设为滞流沉降，则：
2
s t ()18d u ρρμ
-=
查附录20 ℃空气31.205kg/m ρ=，s Pa 1081.15??=-μ，所以，
()()()s m 1276.0m 10
81.11881
.9205.12650
1004.0185
2
3
s
2
t =???-??=
-=
--μ
ρρg
d
u
核算流型： 3
t 5
1.205
0.12760.0410
0.3411.8110
du Re ρμ
--???=
==
()()s 1
2
3
t
52
3
434 1.8110
2650 1.2059.81
431.93 1.2050.1
g
R e
u μρρξρ---=
??-?=
=??
依6.0=φ，9.431Re
1
=-ξ，查出：t e
t 0.3
u d Re ρμ
=
=，所以：
5
5
e 0.3 1.8110 4.50610m 45μm 1.2050.1
d --??=
=?=?
（3）假设为滞流沉降，得：
2
s t
()18d g
u ρρμ-=
其中 s m 02049.0s m 32.715.0t ===θh u 将已知数据代入上式得： ()s Pa 757.6s Pa 02049
.01881
.91600
7900
00635
.02
?=???-=
μ
核算流型 t
0.00635
0.020491600
0.030811
6.757
du Re ρμ
??=
=
=< 2．用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长5 m ，宽5 m ，高4.2 m ，固体杂质为球形颗粒，密度为3000 kg/m 3
。气体的处理量为3000（标准）m 3
/h 。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。
（1）若操作在20 ℃下进行，操作条件下的气体密度为1.06 kg/m 3
，黏度为1.8×10-5
Pa ?s 。 （2）若操作在420 ℃下进行，操作条件下的气体密度为0.5 kg/m 3，黏度为3.3×10-5 Pa ?s 。 解：（1）在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：
s m 03577.0s m 5
53600273
20
2733000s v,t =??+?=
=
bl
q u
设沉降在斯托克斯区，则：
2
t ()0.0357718s d g u ρρμ
-==
5
1.98510m 19.85μm
d -=
=
=?=
核算流型： 5
t t 5
1.985
10
0.035771.06
0.041811.810
du Re ρ
μ
--???=
==
（2）计算过程与（1）相同。完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：
s m 0846.0s m 5
53600273
420
2733000s v,t =??+?=
=
bl
q u
设沉降在斯托克斯区，则：
5
4.13210m 41.32μm
d -=
=
?=
核算流型： 5
t t 5
4.132
10
0.08460.5
0.052913.310
du Re ρ
μ
--???=
=
=
3．对2题中的降尘室与含尘气体，在427 ℃下操作，若需除去的最小颗粒粒径为10 μm ，
试确定降尘室内隔板的间距及层数。
解：取隔板间距为h ，令
t
L h u
u =
则 t L h u u
=
（1）
s m 1017.0m 2
.45273427
2733600
3000
s v,=?+?
=
=
bH
q u
10 μm 尘粒的沉降速度 ()()()m 10
954.4s m 10
31.31881
.95.03000
1010183
5
2
6
s
2
t ---?=???-??=
-=
μ
ρρg
d
u
由（1）式计算h ∴ 0.244m
m 10
954.41017
.053
=??=
-h 层数2.17244.02.4===
h H n 取18层
0.233m
m 18
2.418
==
=
H h
核算颗粒沉降雷诺数： 6
4
4
t t 5
1010 4.954100.5
e 7.510
13.310
du R ρ
μ
----????=
=
=?
核算流体流型： e 5
2250.233
()0.1017
0.5
5.233
686210
03.310
bh
u d u b h Re ρ
ρ
μμ
-??
??+=
===<
? 4．在双锥分级器内用水对方铅矿与石英两种粒子的混合物进行分离。操作温度下水的密度ρ＝996.9 kg/m 3，黏度μ＝0.897 3×10-3 Pa ?s 。固体颗粒为棱长0.08～0.7mm 的正方体。已知：方铅矿密度ρs1＝7 500 kg/m 3，石英矿密度ρs2＝2 650 kg/m 3。
假设粒子在上升水流中作自由沉降，试求（1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速至少应
为多少？（2）所得纯方铅矿粒的尺寸范围。
解：（1）水的上升流速 为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，因此，
水的上升流速应等于或略大于最大石英粒子的自由沉降速度。
对于正方体颗粒 ，应先算出其当量直径和球形度。设l 代表棱长，V p 代表一个颗粒的
体积。
颗粒的当量直径为
()
m 10
685.8m 107.0π
6π6π64
3
3
3
3
3
3p e -?=?=
=
=
-l
V d
因此，颗粒的球形度，
2
e s 2
p
π0.80666d S S l
l φ=
=
=
=
用摩擦数群法计算最大石英粒子的沉降速度，即
3
2
s 2t 2
4()e 3d g
R ρρρξμ
-=
17538)
108973.0(381
.99.996)9.9962650()10
685.8(42
3
3
4
=????-???=
--
已知s φ=0.806，由图3-3查得Re t =70，则
m/s 07255.0m/s 10
685.89.99610
8973.0704
3e t t =????=
=
--ρ
μd Re u
所以水的上升流速应取为0.07255 m/s 或略大于此值。
（2）纯方铅矿粒的尺寸范围 所得到的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是沉降速度恰好等于
0.07255 m/s 的粒子。用摩擦数群法计算该粒子的当量直径：
1
s1t 2
3
t
4()e 3g
R u μρρξρ--=
2011.0)
07255.0(9.996381
.9)9.9967500(10
8973.043
2
3
=???-??=
-
已知s φ =0.806，由图3-3查得Re t =30，则
m 10
722.3m 07255
.09.996108973.0304
3
t
t e --?=???==
u Re d ρμ
与此当量直径相对应的正方体棱长为
m 10
3m π
610
722.3π
64
3
4
3
e -?=?=
=
-d l
所得纯方铅矿粒的棱长范围为0.3～0.7 mm 。
5．用标准型旋风分离器处理含尘气体，气体流量为0.4 m 3/s 、黏度为3.6×10-5
Pa ?s 、密度为0.674 kg/m 3，气体中尘粒的密度为2 300 kg/m 3。若分离器圆筒直径为0.4 m ，(1) 试估算其临界粒径、分割粒径及压力降。（2）现在工艺要求处理量加倍，若维持压力降不变，旋风分离器尺寸需增大为多少？此时临界粒径是多少？（3）若要维持原来的分离效果（临界粒径），应采取什么措施？
解：临界直径c d =式中 m
1.04
4.04
==
=
D B ，2
/D h
=
Ne =5 s m 20s m 2
4.01.04.0s v,=?
=
=
hB
q u
将有关数据代入，得
μm 10698.6m 10
698.6m π
23002051
.010
6.396
5
e ?=?=?????=
--d
分割粒径为
()
()
μm 778.4m 10
778.4m 674.02300204
.010
6.327
.027
.06
5
s i 50=?=-???=-=--ρρμu D
d
压强降为 Pa 4.1078Pa 674.02
2082
2
2
i =??
==?ρξ
u p
（2）i u p ，?不变
v,s v,s i 24
q q u D D hB
=
=
?
m 5657.0m 20
4
.0288i
s v,=??=
=
u q D
m 10
96.7m 20
2300514.34
5657
.010
6.3927
.096
5
i
s e e --?=????
??==
u N B
d ρπμ
所以，处理量加倍后，若维持压力降不变，旋风分离器尺寸需增大，同时临界粒径也会增大，分离效率降低。
（3）若要维持原来的分离效果（临界粒径），可采用两台圆筒直径为0.4 m 的旋风分离器并联使用。
6．在实验室里用面积0.1 m 2的滤叶对某悬浮液进行恒压过滤实验，操作压力差为67 kPa ，测得过滤5 min 后得滤液1 L ，再过滤5 min 后，又得滤液0.6 L 。试求，过滤常数e V K ，，并写出恒压过滤方程式。
解：恒压过滤方程为： θK qq q =+e 22 由实验数据知： m i n 51=θ，2
3
1/m m 01.01
.0001.0==
q
m i n 101=θ，231/m m 016.0=q 将上两组数据代入上式得： K q 5)01.0(2)01.0(e 2=+ K q 10)016.0(2)016.0(e 2=+ 解得 23e /m m 007.0=q
/s m 108m in /m 108.42725--?=?=K 所以，恒压过滤方程为
θ7
2
10
8014.0-?=+q q （m 3/m 2
，s ）
或 θ921080014.0-?=+V V （m 3，s ）
7．用10个框的板框过滤机恒压过滤某悬浮液，滤框尺寸为635 mm×635 mm×25 mm 。已知操作条件下过滤常数为/s m 10225-?=K ，23e /m m 01.0=q ， 滤饼与滤液体积之比为v =0.06。试求滤框充满滤饼所需时间及所得滤液体积。
解：恒压过滤方程为θK qq q =+e 22
θ5
2
10202.0-?=+q q
3
3
2
c m 1008.0m 025.0635
.010=??=V
3
3
c m 680.1m
06.01008.0==
=v V V ，2
22
m 0645.8m 102635
.0=??=A
2
32
3
/m m 208.0/m
m 0645
.8680
.1==
=
A V q
代入恒压过滤方程
θ5
2
10
2208.001.02208
.0-?=??+
得 min 52.39s 2.2317==θ
8．在0.04 m 2的过滤面积上以1×10-4 m 3/s 的速率进行恒速过滤试验，测得过滤100 s 时，过滤压力差为3×104 Pa ；过滤600 s 时，过滤压力差为9×104 Pa 。滤饼不可压缩。今欲用框内尺寸为635 mm×635 mm×60 mm 的板框过滤机处理同一料浆，所用滤布与试验时的相同。过滤开始时，以与试验相同的滤液流速进行恒速过滤，在过滤压强差达到6×104 Pa 时改为恒压操作。每获得1 m 3滤液所生成的滤饼体积为0.02 m 3。试求框内充满滤饼所需的时间。 解：第一阶段是恒速过滤，其过滤时间θ与过滤压差之间的关系可表示为： b a p +=?θ
板框过滤机所处理的悬浮液特性及所用滤布均与试验时相同，且过滤速度也一样，因此，上式中a ，b 值可根据实验测得的两组数据求出： 3×104=100a+b 9×104=600a+b 解得 a=120，b=1.8×104 即 4108.1120?+=?θp
恒速阶段终了时的压力差Pa 1064R ?=?p ，故恒速段过滤时间为 s 350s 120
108.110
64
4
R R =?-?=-?=
a
b
p θ
恒速阶段过滤速度与实验时相同 m /s 10
5.2m/s 04
.01013
4
R --?=?==
θ
A V u
23233R R R /m m 875.0/m m 350105.2=??==-θu q 根据方程3-71， 120 =a 2
R 2
R ==
k
u ru μυ
4
e
R e R 108.1?==
=k
q u q u r b υμ
解得： s)/(Pa m 10208528??=-.k ，23e /m m 3750.q = 恒压操作阶段过滤压力差为6×104 Pa ，所以
/s m 10250.6/s m 10610208.52223248--?=????=?=p k K 板框过滤机的过滤面积222m 8065.0m 635.02=?=A 滤饼体积及单位过滤面积上的滤液体积为 3
2
2c m 0242.00.06m 635.0=?=V
2
3
2
3
c /m m 5.1/m
m 02
.08065.00242.0/)(
=?=
=υA V q
应用先恒速后恒压过滤方程
)()(2)(R R e 2
R 2θθ-=-+-K q q q q q
将K 、q e 、q R 、q 的数值代入上式，得： ()()()35010
25
.6875.05.137.02875.05.13
2
2
2-?=-?+--θ
解得 s 5.662=θ
9. 在实验室用一个每边长0.16 m 的小型滤框对碳酸钙颗粒在水中的悬浮液进行过滤试验。操作条件下在过滤压力差为275.8 kPa ，浆料温度为20 ℃。已知碳酸钙颗粒为球形，密度为2 930 kg/m 3。悬浮液中固体质量分数为0.072 3。滤饼不可压缩，每1 m 3
滤饼烘干后的质量为1 620 kg 。实验中测得得到1 L 滤液需要15.4 s ，得到2 L 滤液需要48.8 s 。试求过滤常数e K V 和，滤饼的空隙滤ε，滤饼的比阻r 及滤饼颗粒的比表面积a 。
解：根据过滤实验数据求过滤常数e V K ，
已知s 4.15=θ，3m 001.0=V ；s 8.48=θ，3m 002.0=V 及222m 0512.0m 16.02=?=A 代入恒压过滤方程式 θ2e 22KA VV V =+
K V 2
e 3
6
0512
.04.1510
210
?=?+--
K V 5
2
e 3
6
10
0512
.08.4810
4104---??=?+?
联立以上两式，解得/s m 10234.425-?=K ，34e m 10547.3-?=V 滤饼的空隙滤 4471
.02930
16201=-
=ε 悬浮液的密度 3
3
F s
F
m
k g /m 1050kg/m )10009277.029300723.0(1)1(
1=???
?
?
?
?
???
+=-+=
ρ
ρρX X
以1 m 3
悬浮液为基准求ν 滤饼体积3
3
s m 04686.0m
1620
0723
.01050=?=V ， 滤液体积m 9531.01s =-=V V
∴ 0492.09531
.004686
.0s
===V
V ν
滤饼不可压缩时，rv
p
p k K μ?=
?=22
所以，滤饼比阻为2
14
2
5
3
3
m
10
648.2m
10
234.40492.010
10
8.27522----?=?????=
?=vK
p
r μ
颗粒的比表面积 3
2
6
3
2
5
.02
3
14
5
.02
3
m
m
10
935.3m
m
)
)
4472.01(54471
.010
648.2(
)
)
1(5(
?=-???=-=εε
r a
10．板框压滤机过滤某种水悬浮液，已知框的长×宽×高为810 mm×810 mm×42 mm ，总框数为10，滤饼体积与滤液体积比为ν=0.1，过滤10 min ，得滤液量为1.31 m 3，再过滤10 min ，共得滤液量为1.905 m 3，试求（1）滤框充满滤饼时所需过滤时间；（2）若洗涤与辅助时间共45 min ，求该装置的生产能力(以得到的滤饼体积计)。
解：（1）过滤面积22m 122.1310281.0=??=A 由恒压过滤方程式求过滤常数
K V 6010122.1331.1231.12
e 2
??=?+
K V 6020122
.13905.12905
.12
e 2??=?+
联立解出3e m 1376.0=V ，/s m 10010.225-?=K 恒压过滤方程式为θ321034612752.0-?=+V V
3
3c m 2756.0m 10042.081.081.0=???=V 3
m 756.2==
v
V V c
代入恒压过滤方程式求过滤时间
()()m in
23.40s 2414s 10
461.3/756.22752.0756
.23
2
==??+=-θ
（2）生产能力
/h m 206.0/s m 10
823.4/s m 60
4524142756.03
35
3
D
w c
=?=?+=
++=
-θθθV Q
11．在3
1067?Pa 压力下对硅藻土在水中的悬浮液进行过滤试验，测得过滤常数K =5×10-5 m 2/s ，q e =0.01 m 3/m 2，滤饼体积与滤液体积之比υ=0.08。现拟用有38个框的
BMY50/810-25型板框压滤机在310134?Pa 压力下过滤上述悬浮液。试求：（1）过滤至滤框内部全部充满滤渣所需的时间；（2）过滤完毕以相当于滤液量1/10的清水洗涤滤饼，求洗涤时间；（3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作共需15 min ，求过滤机的生产能力（m 3滤液/h ）。
解：（1）硅藻土，01.0=s ，可按不可压缩滤饼处理
p k K ?=2，e q 与p ?无关
Pa 101343
?=?p 时，/s m 1012
4-?=K ，2
3
e /m m 01.0=q
3
32c m 6233.0m 38025.081.0=??=V ，2
22m 86.49m 81.0238=??=A
3
3
c m 791.7m
08
.06233.0==
=
v
V V ，2
32
3/m m 1563.0/m
m 86
.49791.7==
q
代入恒压过滤方程式求过滤时间
θ4
2
10
1563.001.021563
.0-=??+
s 6.275=θ
（2）洗涤
3
w m 7791.01.0==V V
()()()s
m
10748.3s m 01.01563.0886.491088413
3
3
4
e e 2
E W
--?=+??=+=+=
??? ??=??? ??q q KA V V KA d dV d dV θθ s 9.207s 003748.07791.0/W
W W ==
???
??=θθd dV V （3）生产能力
()/h m 27.20/h m 3600
/60159.2076.2757913
.73
3
D
W =?++=
++=
θθθV
Q
12. 用一小型压滤机对某悬浮液进行过滤试验，操作真空度为400 mmHg 。测得，
/s m 10
425
-?=K ，2
33
e /m m 10
7-?=q ，υ=0.2。现用一台GP5-1.75型转筒真空过滤机在相
同压力差下进行生产（过滤机的转鼓直径为1.75 m ，长度为0.9 m ，浸没角度为120o），转速为1 r/min 。已知滤饼不可压缩。试求此过滤机的生产能力及滤饼厚度。
解：过滤机回转一周的过滤时间为
s 20s 1
360
120
6060=?=
=
=n
ψψT θ 由恒压过滤方程求此过滤时间可得滤液量
4
5
2
10
810
4014.0--?=?=+θq q
解得23/m m 02214.0=q
过滤面积22m 946.4πm 9.075.1=?==DL A π 所得滤液33m 1095.0m 946.402214.0=?==qA V 转筒转一周的时间为
s n 6060=
所以转筒真空过滤机的生产能力为/h m 57.6/h m 1095.01606033=??==nV Q 转筒转一周所得滤饼体积33c m 02190.0m 1095.02.0=?==vV V 滤饼厚度mm 4.4m 10
428.4m 946
.402190.03
c =?===-A V δ
化工分离过程试题库(复习重点) 第一部分填空题 1、分离作用是由于加入（分离剂）而引起的，因为分离过程是（混合过程）的逆过程。 2、分离因子是根据（气液相平衡）来计算的。它与实际分离因子的差别用（板效率）来表示。 3、汽液相平衡是处理（汽液传质分离）过程的基础。相平衡的条件是（所有相中温度压力相等，每一组分的化学位相等）。 4、精馏塔计算中每块板由于（组成）改变而引起的温度变化，可用（泡露点方程）确定。 5、多组分精馏根据指定设计变量不同可分为（设计）型计算和（操作）型计算。 6、在塔顶和塔釜同时出现的组分为（分配组分）。 7、吸收有（轻）关键组分，这是因为（单向传质）的缘故。 8、对多组分吸收，当吸收气体中关键组分为重组分时，可采用（吸收蒸出塔）的流程。 9、对宽沸程的精馏过程，其各板的温度变化由（进料热焓）决定，故可由（热量衡算）计算各板的温度。 10、对窄沸程的精馏过程，其各板的温度变化由（组成的改变）决定，故可由（相平衡方程）计算各板的温度。 11、为表示塔传质效率的大小，可用（级效率）表示。 12、对多组分物系的分离，应将（分离要求高）或（最困难）的组分最后分离。 13、泡沫分离技术是根据（表面吸附）原理来实现的，而膜分离是根据（膜的选择渗透作用）原理来实现的。 14、新型的节能分离过程有（膜分离）、（吸附分离）。 15、传质分离过程分为（平衡分离过程）和（速率分离过程）两大类。 16、分离剂可以是（能量）和（物质）。 17、Lewis 提出了等价于化学位的物理量（逸度）。 18、设计变量与独立量之间的关系可用下式来表示( Ni=Nv-Nc即设计变量数=独立变量数-约束关系 ) 19、设计变量分为（固定设计变量）与（可调设计变量）。 20、温度越高对吸收越（不利） 21、萃取精馏塔在萃取剂加入口以上需设（萃取剂回收段）。 22、用于吸收过程的相平衡关系可表示为（V = SL）。 23、精馏有（两个）个关键组分，这是由于（双向传质）的缘故。 24、精馏过程的不可逆性表现在三个方面，即（通过一定压力梯度的动量传递），（通过一定温度梯度的热量传递或不同温度物流的直接混合）和（通过一定浓度梯度的质量传递或者不同化学位物流的直接混合）。 25、通过精馏多级平衡过程的计算，可以决定完成一定分离任务所需的（理论板数），为表示塔实际传质效率的大小，则用（级效率）加以考虑。 27、常用吸附剂有（硅胶），（活性氧化铝），（活性炭）。 28、恒沸剂与组分形成最低温度的恒沸物时，恒沸剂从塔（顶）出来。
第三章非均相物系的分离 一、填空题 1、旋风分离器是用于混合物分离的典型设备，如奶粉、蛋粉等干制品加工后期的分离，其主要性能参数为、 和。 2、多数沉降过程是在层流区内进行的，根据层流区域内的斯托克斯定律，影响沉降速度的主要因素有、和。 3、过滤操作基本计算的依据主要是过滤基本方程,即。在实际运用时还必须考虑三种情况，即的相对大小, 的相对大小和恒速过滤或恒压过滤。 4、沉降分离方法主要有、和电沉降，非均相混合物在沉降分离设备内能分离出来的条件为。 5、过滤推动力应是由所组成的过滤层两侧的压力差，而过滤阻力相应包括和。 6、某降尘室高4m，宽3m，长5m，用于矿石焙烧炉的炉气除尘。矿尘密度为4300千克每立方米，其形状近于圆球，操作条件下气体流量为1800立方米每小时，气体密度为0.9千克每立方米，粘度为0.03mPa·s。则理论上能除去矿尘颗粒的最小直径为_______μｍ 二、选择题 1、某球形颗粒在粘度为 1.86×10-5Pa.S的大气中自由沉降，已知颗粒直径为40μm，密度为2600Kg/m3，沉降速度为0.12m/s，则该颗粒沉降属（）（设大气密度ρ =1.165Kg/m3） A、层流区 B、过渡流区 C、湍流区 D、无法确定 2、若固体颗粒密度为2600Kg/m3，大气压强为0.1Mpa，温度为300C，（此状况下空气密度ρ=1.165Kg/m3粘度为μ=1.86×10-5Pa.S）,则直径为40μm的球形颗粒在该大气中的自由沉降速度为（） A、0.12m/s B、1.63m/s C、1.24m/s D、2.12m/s 3、过滤过程的计算主要是通过过滤基本方程进行的，方程式中几个表示体系特征的过滤常数则需通过实验首先确定，这几个过滤常数为（） A、K、S、Ve（Vd）、ΔP B、K、S、Ve（Vd）、te（td） C、K、S、Ve（Vd）、r D、K、Ve（Vd）、ΔP、r 4、利用过滤基本方程计算过滤速度必须考虑滤饼的可压缩性，所谓不可压缩滤饼，下列说法错误的是（）。 A、不可压缩滤饼中流动阻力不受两侧压力差的影响。 B、其中的流动阻力受固体颗粒沉积速度的影响。 C、一定体积滤饼内的流动阻力不受压力差和沉积速率的影响。 D、压力差变化时滤饼性质及厚度保持不变。 5、恒压过滤方程式是基于（）推导出来的 A、滤液在介质中呈湍流流动 B、滤液在介质中呈层流流动 C、滤液在滤渣中呈湍流流动 D、滤液在滤渣中呈层流流动 6、降尘室的生产能力是由（）决定的（底面积一定时）。 A、降尘室的高度和长度 B、降尘室的高度 C、降尘室的长度 D、降尘室的底面积 7、已知旋风分离器旋转半径为r m=0.5m，气体切向进口速度为u t=20m/s，那么该分离器的离心沉降速度与重力沉降速度之比为（）
第一章绪论 1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。 答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。 属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、 吸附。 2.比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。 答：当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分 离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂， 萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能 量媒介(ESA)方法。 3.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？ 答：气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。气体分离更成熟些， 渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩 散性能的差别而实现分离。 5.海水的渗透压由下式近似计算： π=RTC/M， 式中C为溶解盐的浓度，g/cm3；M为离子状态的各种溶剂的平均分子量。若从含盐0.035 g/cm3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K。问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa? 答：渗透压π=RTC/M＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa。 所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa。 9. 假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。求： （1）总变更量数Nv; （2）有关变更量的独立方程数Nc； （3）设计变量数Ni; （4）固定和可调设计变量数Nx , Na； （5）对典型的绝热闪蒸过程，你 将推荐规定哪些变量？ 思路1： 3股物流均视为单相物流， 总变量数Nv=3(C+2)=3c+6 独立方程数Nc F zi T F P F V , yi ,Tv , Pv L , x i , T L , P L 习题5附图
分离工程课后习题答案-刘家祺
分离工程习题 第一章 1. 列出5种使用ESA 和5种使用MSA 的分离操作。 答：属于ESA 分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。 属于MSA 分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。 5.海水的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M ，式中C 为溶解盐的浓度，g/cm 3；M 为离子状态的各种溶剂的平均分子量。若从含盐0.035 g/cm 3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K 。问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa? 答：渗透压π=RTC/M ＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa 。 所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa 。 9.假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。求： （1） 总变更量数Nv; （2） 有关变更量的独立方程数Nc ； （3） 设计变量数Ni; （4） 固定和可调设计变量数Nx , Na ； （5） 对典型的绝热闪蒸过程，你 将推荐规定哪些变量？ 思路1： 3股物流均视为单相物流， 总变量数Nv=3(C+2)=3c+6 独立方程数Nc 物料衡算式 C 个 热量衡算式1个 相平衡组成关系式C 个 1个平衡温度等式 1个平衡压力等式 共2C+3个 故设计变量Ni =Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3 固定设计变量Nx ＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个 可调设计变量Na ＝0 解： V -2 F z i T F P F V , y i ,T v , P v L , x i , T L , P L 习题5附图
第三章 非均相混合物分离及固体流态化 1．颗粒在流体中做自由沉降，试计算（1）密度为2 650 kg/m 3，直径为0.04 mm 的球形石英颗粒在20 ℃空气中自由沉降，沉降速度是多少？（2）密度为2 650 kg/m 3，球形度6.0=φ的非球形颗粒在20 ℃ 清水中的沉降速度为0.1 m/ s ，颗粒的等体积当量直径是多少？（3）密度为7 900 kg/m 3，直径为6.35 mm 的钢球在密度为1 600 kg/m 3 的液体中沉降150 mm 所需的时间为7.32 s ，液体的黏度是多少？ 解：（1）假设为滞流沉降，则： 2 s t ()18d u ρρμ -= 查附录20 ℃空气31.205kg/m ρ=，s Pa 1081.15??=-μ，所以， ()()()s m 1276.0m 10 81.11881 .9205.12650 1004.0185 2 3 s 2 t =???-??= -= --μ ρρg d u 核算流型： 3 t 5 1.205 0.12760.0410 0.3411.8110 du Re ρμ --???= ==
非均相物系分离 一、填空题 1．某颗粒的重力沉降服从斯托克斯定律，若在水中的沉降速度为u1,在空气中为u2，则u12；若在热空气中的沉降速度为u3，冷空气中为u4，则u34。(＞，＜，＝) dg(ρs-ρ) 18μ2答：ut=，因为水的粘度大于空气的粘度，所以u1 【注意事项】 1.因时间关系，详细复习总结的电子版没时间做了，大家抽空多看看课本，考试以课本基础知识为主，书上找不到答案的不会考。 2.这里主要总结了老师上课讲的课后题 参考 答案，以及部分往届复习的名词解释整合，大家参考记忆。 3.考试题型：6-7个名词解释，6-7个选择题（考察细节掌握，一个两分），填空，简答论述（接近50分）。 4.不考计算题，但依然会考公式的其他应用，复习时自己注意。 5.【P22】【P24】【P44-45】【P216-217】这几页的图和表必须会解读，【P191-192】这两页表必须背过，必考重点！考试没有画图题，但可能有读图题，常见的重点图示必须熟悉。 6.抓紧时间好好复习，今年监考比历届都要严，不要因小失大！！！ 7.最后，祝都过。 ***感谢冯晓博、马阿敏、张雪琴三位热心的好学霸肯抽出时间为大家整理资料*** 第一章 绪论 1.分离技术的三种分类方法各有什么特点？ 答：（1）按被分离物质的性质分类分为物理分离法、化学分离法、物理化学分离法。 （2）按分离过程的本质分类分为平衡分离过程、速度差分离过程、反应分离过程。 （3）场流分类法 2.分离富集的目的？ 答：①定量分析的试样通常是复杂物质，试样中其他组分的存在常常影响某些组分的定量测定，干扰严重时甚至使分析工作无法进行。这时必须根据试样的具体情况，采用适当的分离方法，把干扰组分分离除去，然后才能进行定量测定。②如果要进行试样的全分析，往往需要把各种组分适当的分离，而后分别加以鉴定或测定。③而对于试样中的某些痕量组分，进行分离的同时往往也就进行了必要的浓缩和富集，于是就便于测定。因此物质的化学分离和测定具有同样重要意义。 3.什么是直接分离和间接分离？ 答：直接分离是将待测组分从复杂的干扰组分分离出来；间接分离是将干扰组分转入新相，而将待测组分留在原水相中。 4.阐述浓缩、富集和纯化三个概念的差异与联系？ 答：富集：通过分离，使目标组分在某空间区域的浓度增大。浓缩：将溶剂部分分离，使溶质浓度提高的过程。纯化：通过分离使某种物质的纯度提高的过程。 根据目标组分在原始溶液中的相对含量（摩尔分数）的不同进行区分： （方法 被分离组分的摩尔分数）富集 <0.1；浓缩 0.1－0.9；纯化 >0.9。 5.回收因子、分离因子和富集倍数有什么区别和联系？ 答：（1）被分离物质在分离过程中损失量的多少，某组分的回收程度，用回收率来表示。 待测组分A 的回收率，用RA 表示，QA °---为富集前待测物的量；QA---富集后待测物的量。%100?= A A A Q Q R （2）分离因子：两组分的分离程度。用SA ， B 表示。B A B A B A B ,//R R Q Q Q Q S A =??= A —待测组分；B —干扰组分。如果待测组分A 符合定量要求，即可认为QA ≈ Q oA ，SA,B ≈ Q oB/QB = 1/RB ，常量组分测定：SA,B ≈103；分离因子越大，分离效果越好。 （3）富集倍数：目标组分和基体组分的回收率之比，用F 表示， M M T T M T Q Q Q Q R R F //== RT 为组分的回收率；RM 为基体的回收率； QT °为富集前待测物的量； QT 为富集后待测物的量；QM °为富集前基体的量；QM 为富集后基体的量。 分离工程习题 第一章 1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。 答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。 属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。 5.海水的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M，式中C为溶解盐的浓度，g/cm3；M为离子状态的各种溶剂的平均分子量。若从含盐0.035 g/cm3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K。问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa? 答：渗透压π=RTC/M＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa。 所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa。 9.假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。求： （1）总变更量数Nv; （2）有关变更量的独立方程数Nc； （3）设计变量数Ni; （4）固定和可调设计变量数Nx , Na； （5）对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？ 思路1： 3股物流均视为单相物流， 总变量数Nv=3(C+2)=3c+6 独立方程数Nc 物料衡算式C个 热量衡算式1个 相平衡组成关系式C个 1个平衡温度等式 1个平衡压力等式共2C+3个 故设计变量Ni =Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3 固定设计变量Nx＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个 可调设计变量Na＝0 解： （1）Nv = 3 ( c+2 ) （2）Nc 物 c 能 1 相 c 内在(P，T) 2 Nc = 2c+3 （3）Ni = Nv – Nc = c+3 （4）Nxu = ( c+2 )+1 = c+3 （5）Nau = c+3 –( c+3 ) = 0 思路2： 输出的两股物流看成是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2) 独立方程数Nc：物料衡算式C个，热量衡算式1个,共C+1个 设计变量数Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3 固定设计变量Nx:有C+2个加上节流后的压力共C+3个 可调设计变量Na：有0 11.满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，求： （1）设计变更量数是多少？ （2）如果有，请指出哪些附加变量需要规定？ 解：N x u 进料c+2 压力9 c+11=7+11=18 N a u 串级单元 1 传热 1 合计 2 N V U = N x u+N a u = 20 附加变量：总理论板数。 16.采用单个精馏塔分离一个三组分混合物为三个产品(见附图),试问图中所注设计变量能否使问题有唯一解?如果不,你认为还应规定哪个(些)设计变量? 解: N X U进料c+2 压力40+1+1 c+44 = 47 N a u3+1+1+2 = 7 N v u = 54 设计变量：回流比，馏出液流率。 第二章 4.一液体混合物的组成为：苯0.50；甲苯0.25；对二甲苯0.25(摩尔分率)。分别 ［例2-3］ 求含正丁烷（1）0.15、正戊烷（2）0.4、和正已烷（3）0.45（摩尔分数）之烃类混合物在0.2MPa 压力下的泡点温度。B. 露点温度 a. 解：因各组分都是烷烃，所以汽、液相均可看成理想溶液， K i 只取决于温度和压力。如计算要求不高，可使用烃类的 p －T －K 图（见图 2-1）。 假设 T ＝ 50℃， p ＝0.2MPa ，查图求 K i ， 组分 xi Ki yi=Kixi 正丁烷 0.15 2.5 0.375 正戊烷 0.40 0.76 0.304 正已烷 0.45 0.28 0.126 说明所设温度偏低,选正丁烷为K G ,95.0805 .076 .03==∑=i G y K K 。查p-t-k 图t 为58.7, 再设 T ＝ 58.7℃，重复上述计算得 故泡点温度为 58.7℃。 解：B. 露点温度, 假设 T ＝ 80℃， p ＝0.2MPa ，查图求 K i ， 组分 xi Ki yi/Ki=xi 正丁烷 0.15 4.2 0.036 正戊烷 0.40 1.6 0.25 正已烷 0.45 0.65 0.692 1978.0≠=∑=∑∴i i i K y x 选正戊烷为参考组分，则 56.1978.06.14=?=∑?=i G x K K 由56.14=K ,查图2-1a 得t=78℃ K 1=4，K 2=1.56， K 3=0.6， 1053.175.0267.00375.0≈=++=∑ =∑∴i i i K y x 故混合物在78℃。 ［例2-7］ 进料流率为 1000kmol/ h的轻烃混合物，其组成为：丙烷 (1)30% ；正丁烷 (2)10% ；正戊烷 (3)15% ；正已烷 (4)45%( 摩尔 ) 。求在50 ℃和 200kPa 条件下闪蒸的汽、液相组成及流率。 解：该物系为轻烃混合物，可按理想溶液处理。由给定的T 和p ，从p - T - K 图查K i ，再采用上述顺序解法求解。 (1)核实闪蒸温度 假设50℃为进料泡点温度，则 假设50℃为进料的露点温度，则 说明进料的实际泡点和露点温度分别低于和高于规定的闪蒸温度，闪蒸问题成立。 (2)求Ψ ，令Ψ 1 =0.1(最不利的初值) =0.8785 因f (0.1)>0，应增大Ψ 值。因为每一项的分母中仅有一项变化，所以可以写出仅含未知数Ψ 的一个方程: 计算R - R 方程导数公式为： ［例2-3］ 求含正丁烷( 1) 0.15、 正戊烷( 2) 0.4、 和正已烷( 3) 0.45( 摩尔分数) 之烃类混合物在0.2MPa 压力下的泡点温度。B. 露点温度 a. 解: 因各组分都是烷烃, 因此汽、 液相均可看成理想溶液, K i 只取决于温度和压力。如计算要求不高, 可使用烃类的 p －T －K 图( 见图 2-1) 。 假设 T ＝ 50℃, p ＝0.2MPa, 查图求 K i , 组分 xi Ki yi=Kixi 正丁烷 0.15 2.5 0.375 正戊烷 0.40 0.76 0.304 正已烷 0.45 0.28 0.126 说明所设温度偏低,选正丁烷为K G ,95.0805 .076 .03==∑=i G y K K 。查p-t-k 图t 为58.7, 再设 T ＝ 58.7℃, 重复上述计算得 故泡点温度为 58.7℃。 解: B. 露点温度, 假设 T ＝ 80℃, p ＝0.2MPa, 查图求 K i , 组分 xi Ki yi/Ki=xi 正丁烷 0.15 4.2 0.036 正戊烷 0.40 1.6 0.25 正已烷 0.45 0.65 0.692 1978.0≠=∑ =∑∴i i i K y x 选正戊烷为参考组分, 则 56.1978.06.14=?=∑?=i G x K K 由56.14=K ,查图2-1a 得t=78℃ K 1=4, K 2=1.56, K 3=0.6, 1053.175.0267.00375.0≈=++=∑ =∑∴i i i K y x 故混合物在78℃。 ［例2-7］ 进料流率为 1000kmol/ h 的轻烃混合物, 其组成为: 丙烷 (1)30% ; 正丁烷 (2)10% ; 正戊烷 (3)15% ; 正已烷 (4)45%( 摩尔 ) 。求在 50 ℃和 200kPa 条件下闪蒸的汽、 液相组成及流率。 MESH方程。 一、填空(每空2分,共20分) 1. 如果设计中给定数值的物理量的数目等于 设计变量，设计才有结果。 2. 在最小回流比条件下，若只有重组分是非分 配组分，轻组分为分配组分，存在着两个 恒浓区，出现在精镏段和进料板 位置。 3. 在萃取精镏中，当原溶液非理想性不大时， 加入溶剂后，溶剂与组分1形成具有较强正 偏差的非理想溶液，与组分2形成 负偏差或理想溶液，可提高组分1对2的 相对挥发度。 4. 化学吸收中用增强因子表示化学反应对传质 速率的增强程度，增强因子E的定义是化学吸 收的液相分传质系数（k L）/无化学吸收的液相 分传质系数（k0L）。 5. 对普通的N级逆流装置进行变量分析，若组 分数为C个，建立的MESH方程在全塔有 NC+NC+2N+N=N(2C+3) 个。 η； 6. 热力学效率定义为= 实际的分离过程是不可逆的，所以热力学效 率必定于1。 7. 反渗透是利用反渗透膜选择性的只透过 溶剂的性质，对溶液施加压力，克服溶 剂的渗透压，是一种用来浓缩溶液的膜 分离过程。 二、推导(20分) 1. 由物料衡算，相平衡关系式推导图1单 级分离基本关系式。 ——相平衡常数； 式中： K i ψ——气相分 率（气体量/进料量）。 2. 精馏塔第j级进出物料如图1，建立 三、简答(每题5分,共25分) 1.什么叫相平衡相平衡常数的定义是什么 由混合物或溶液形成若干相，这些相保持物理平衡而共存状态。热力学上看物系的自由焓最小；动力学上看相间表观传递速率为零。 K i =y i /x i 。 2.关键组分的定义是什么；在精馏操作中， 一般关键组分与非关键组分在顶、釜的 分配情况如何 由设计者指定浓度或提出回收率的组分。 LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制； HK绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制； LNK全部或接近全部在塔顶出现； HNK全部或接近全部在塔釜出现。 3.在吸收过程中，塔中每级汽、液流量为 什么不能视为恒摩尔流 吸收为单相传质过程，吸收剂吸收了气体中的溶质而流量在下降过程中不断增加，气体的流量相应的减少，因此气液相流量在塔内都不能视为恒定。 4.在精馏塔中设中间换热器为什么会提高 热力学效率 在中间再沸器所加入的热量其温度低于塔 底加入热量的温度，在中间冷凝器所引出的 热量其温度高于塔顶引出热量的温度，相对 于无中间换热器的精馏塔传热温差小，热力 学效率高。 5.反应精馏的主要优点有那些 （1）产物一旦生成立即移出反应区；（2）反应区反应物浓度高，生产能力大；（3）反应热可由精馏过程利用；（4）节省设备投资费用；（5）对于难分离物系通过反应分离成较纯产品。 四、计算(1、2题10分，3题15分，共35分) 1. 将含苯（mol分数）的苯（1）—甲苯（2）混合物在下绝热闪蒸，若闪蒸温度为94℃，用计算结果说明该温度能否满足闪蒸要求 已知：94℃时P 1 0= P 2 0= 2. 已知甲醇（1）和醋酸甲酯（2）在常压、54℃ 下形成共沸物，共沸组成X 2 =(mol分率), 在此条件下：kPa P kPa p98 . 65 , 24 . 9002 1 = =求 该系统的活度系数。 3. 气体混合物含乙烷、丙烷、丁烷（均为摩尔分数），用不挥发的烃类进行吸收，已知吸收后丙烷的吸收率为81%，取丙烷在全塔的平均吸收因子A=，求所需理论板数；若其它条件不变，提高平均液汽比到原来的2倍，此时丙烷的吸 收率可达到多少。 第二章 非均相物系分离 1、试计算直径为30μm 的球形石英颗粒（其密度为2650kg/ m 3），在20℃水中和20℃常压空气中的自由沉降速度。 解：已知d =30μm 、ρs =2650kg/m 3 （1）20℃水 μ=1.01×10-3Pa·s ρ=998kg/m 3 设沉降在滞流区，根据式（2-15） m/s 1002.810 01.11881.9)9982650()1030(18)(43262---?=???-??=-=μρρg d u s t 校核流型 )2~10(1038.210 01.19981002.8103042346-----∈?=?????==μρ t t du Re 假设成立， u t =8.02×10-4m/s 为所求 （2）20℃常压空气 μ=1.81×10-5Pa·s ρ=1.21kg/m 3 设沉降在滞流区 m/s 1018.710 81.11881.9)21.12650()1030(18)(25262---?=???-??=-=μρρg d u s t 校核流型： )2~10(144.010 81.121.11018.710304526----∈=?????==μρ t t du Re 假设成立，u t =7.18×10-2m/s 为所求。 2、密度为2150kg/ m 3的烟灰球形颗粒在20℃空气中在层流沉降的最大颗粒直径是多少？ 解：已知ρs =2150kg/m 3 查20℃空气 μ=1.81×10-5Pa.s ρ=1.21kg/m 3 当2==μρ t t du Re 时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理 218)(23==-μρμ ρρρt s du g d 所以 第一章绪论1.分离技术的三种分类方法各有什么特点？ 答：（1）按被分离物质的性质分类分为物理分离法、化学分离法、物理化学分离法。 （2）按分离过程的本质分类分为平衡分离过程、速度差分离过程、反应分离过程。（3）场流分类法 2.分离富集的目的？ 答：①定量分析的试样通常是复杂物质，试样中其他组分的存在常常影响某些组分的定量测定，干扰严重时甚至使分析工作无法进行。这时必须根据试样的具体情况，采用适当的分离方法，把干扰组分分离除去，然后才能进行定量测定。②如果要进行试样的全分析，往往需要把各种组分适当的分离，而后分别加以鉴定或测定。③而对于试样中的某些痕量组分，进行分离的同时往往也就进行了必要的浓缩和富集，于是就便于测定。因此物质的化学分离和测定具有同样重要意义。 3.什么是直接分离和间接分离？ 答：直接分离是将待测组分从复杂的干扰组分分离出来；间接分离是将干扰组分转入新相，而将待测组分留在原水相中。 4.阐述浓缩、富集和纯化三个概念的差异与联系？ 答：富集：通过分离，使目标组分在某空间区域的浓度增大。浓缩：将溶剂部分分离，使溶质浓度提高的过程。纯化：通过分离使某种物质的纯度提高的过程。 根据目标组分在原始溶液中的相对含量（摩尔分数）的不同进行区分： （方法被分离组分的摩尔分数）富集<0.1；浓缩0.1－0.9；纯化>0.9。 5.回收因子、分离因子和富集倍数有什么区别和联系？ 答：（1）被分离物质在分离过程中损失量的多少，某组分的回收程度，用回收率来表示。 待测组分A 的回收率，用RA 表示，QA °---为富集前待测物的量；QA---富集后待测物的量。%100?= A A A Q Q R （2）分离因子：两组分的分离程度。用SA ， B 表示。B A B A B A B ,//R R Q Q Q Q S A =??= A —待测组分；B —干扰组分。如果待测组分A 符合定量要求，即可认为QA ≈ QoA ，SA,B ≈ QoB/QB = 1/RB ，常量组分测定：SA,B ≈103；分离因子越大，分离效果越好。 （3）富集倍数：目标组分和基体组分的回收率之比，用F 表示， M M T T M T Q Q Q Q R R F //== RT 为组分的回收率；RM 为基体的回收率； QT °为富集前待测物的量； QT 为富集后待测物的量；QM °为富集前基体的量；QM 为富集后基体的量。 第二章 分离过程中的热力学 2.气体分子吸附在固体吸附剂表面时，某吸附等温线可以由朗格缪尔吸附方程得到。试分析吸附物质的吸附平衡常数K 与该气体物质在气相的分压p 需满足什么条件才能使朗格缪尔吸附等温线近似为直线。 答：溶质吸附量q 与溶质气体分压p 的关系可以用朗格缪尔吸附方程表示：p K p K q q A A +=1max ，式中qmax 为溶质在固相表面以单分子层覆盖的最大容量；KA 为溶质的吸附平衡常数。在低压时，p K q q p K A A max 1=，《。 第三章 分离过程中的动力学 1.简单讨论分子运动与宏观物体机械运动的差别和共同点。 非均相混合物的分离习题 概念部分 1、流体通过固定床，颗粒的平均直径是以为基准的，理由是。若流体一定的流速通过一大小均匀且规则装填的球形颗粒固定床，球形颗粒直径越小，流体通过床层的压降越，原因是。工业上常用方程来测颗粒的比表面积，该方程的表达式为：。 2、叶滤机中如滤饼不可压缩，当过滤压差增加一倍时，过滤速率是原来的 倍。粘度增加一倍时，过滤速率是原来的倍。 3、对真空回转过滤机，转速越大，则每转一周所得的滤液量就越。该滤机的生产能力越。 4、某叶滤机恒压操作，过滤终了时，V=0.5m3，τ=1h,Ve=0，滤液粘度是水的4倍。现在同一压强下再用清水洗涤，Vw=0.1m3，则洗涤时间为。 5、含尘气体通过长为4m，宽3m，高1m的降尘室，已知颗粒的沉降速度为0.03m/s，则该降尘室的生产能力为m3/s 6、重力场中，微小颗粒的沉降速度与下列因素无关：。 （A)颗粒几何形状；（B)流体与颗粒的密度；（C）颗粒几何尺寸；（D)流体的流速 7、推导过滤基本方程式时一个最基本的依据是：。 （A)固体颗粒的沉降速度；（B)流体的层流流动；（C）滤饼的可压缩性；（D)过滤介质的比阻。 8、玻璃管长1米，充满油。从顶端每隔1秒加入1滴水，问： A、油静止，当加入第21滴水时，第一滴正好到底部，则沉降速度为m/s B、现油以0.01m/s的速度向上运动，加水速度不变，则管内有水滴。 9、球形度系数φs的物理意义是，其取值范围为，其值越大，颗粒的比表面积越。 10、过滤速率的表达式为，过滤速度的表达式为。 11、过滤基本方程式的表达式为。 12、空床速度是指，滤液的实际流速是指。 13、颗粒床层的自由截面积是指的各向同性床层最重要的特点是。 计算部分 一、拟用板框压滤机恒压过滤含CaCO38%,(质量）的水悬浮液2m3,每m3滤饼中含固体1000kg，CaCO3密度为2800kg/m3，过滤常数K=0.162m2/h, 过滤时间t=30min，试问： (1) 滤液体积多少m3 ？1.831 (2) 现有560 ×560 ×50mm规格的板框压滤机，问需要多少只滤框？（过滤介质阻力不计）4只 二、某悬浮液用板框过滤机过滤，该板框过滤机有滤框28个，尺寸为635 ×635 ×25mm，操作表压恒定为98.1kPa,该条件下，K=1 ×10-5m2/s，qe=0.02m3/m2。已知滤饼与滤液的体积比为0.075,试求： （1）滤饼充满滤框需要多少时间？0.96h （2）若将表压提高一倍，其它条件不变（S=0.5），则充满同样滤框所需时间为多少？0.68h （3）若将框厚度增加一倍，其它操作条件同（2），则过滤同样时间可获得多少滤液？不变 三、一降尘室每层底面积10 ㎡，内设9层隔板，现用此降尘室净化质量流量为1200kg/h，温度为20 ℃的常压含尘空气，尘粒密度为2500kg/ m3,问Λ1）可100%除去的最小颗粒直径为多少？可50%除去的最小颗粒直径为多少？直径为5μm的尘粒可除去百分率为多少？（设尘粒在空气中均匀分布）6.08，4.29，67.6% （2）如将含尘空气预热至150 ℃，再进入降尘室，则可100%除去的最小颗粒直径为多少？为保证100%除去的最小颗粒直径不变，空气的质量流量为多少？ 8.41，628.5kg/h （3）定性分析降尘室生产能力发生变化的原因？ 课后习题：3-7，3-8，3-10，3-11，3-12，3-13 一、填空题 1．某颗粒的重力沉降服从斯托克斯定律，若在水中的沉降速度为u 1,在空气中为u 2，则u 1 u 2；若在热空气中的沉降速度为u 3，冷空气中为u 4，则u 3 u 4。(＞，＜，＝) 答：μρρ18) (2-= s t g d u ，因为水的粘度大于空气的粘度，所以21u u < 热空气的粘度大于冷空气的粘度，所以43u u < 2．用降尘室除去烟气中的尘粒，因某种原因使进入降尘室的烟气温度上升，若气体质量流量不变，含尘情况不变，降尘室出口气体含尘量将 （上升、下降、不变），导致此变化的原因是1） ；2） 。 答：上升， 原因：粘度上升，尘降速度下降； 体积流量上升，停留时间减少。 3．含尘气体在降尘室中除尘，当气体压强增加，而气体温度、质量流量均不变时，颗粒的沉降速度 ，气体的体积流量 ，气体停留时间 ，可100%除去的最小粒径min d 。（增大、减小、不变） 答：减小、减小、增大，减小。 ρξρρ3)(4-= s t dg u ，压强增加，气体的密度增大，故沉降速度减小， 压强增加， p nRT V = ，所以气体的体积流量减小， 气体的停留时间 A V L u L t s /= = ，气体体积流量减小，故停留时间变大。 最小粒径在斯托克斯区 )(18min ρρμ-= s t g u d ，沉降速度下降，故最小粒径减小。 4．一般而言，同一含尘气以同样气速进入短粗型旋风分离器时压降为P 1，总效率为1η，通过细长型旋风分离器时压降为P 2，总效率为2η，则：P 1 P 2， 1η 2η。 答：小于，小于 5．某板框过滤机恒压操作过滤某悬浮液，滤框充满滤饼所需过滤时间为τ，试推算下列情况下的过滤时间τ'为原来过滤时间τ的倍数： 1）0=s ，压差提高一倍，其他条件不变，τ'= τ； 2）5.0=s ，压差提高一倍，其他条件不变，τ'= τ； 3）1=s ，压差提高一倍，其他条件不变，τ'= τ； 1）0. 5；2）0.707；3）1 s p -?∝1)/(1τ，可得上述结果。 6．某旋风分离器的分离因数k=100，旋转半径R=0.3m ，则切向速度u t = m/s 。 答：17.1m/s 7．对板框式过滤机，洗涤面积W A 和过滤面积A 的定量关系为 ，洗水走过的 距离w L 和滤液在过滤终了时走过的距离L 的定量关系为 ，洗涤速率（W d dV )θ和终了时的过滤速率E d dV )( θ的定量关系为 。 答案： A A w 21= ；L L w 2=; (W d dV )θ=E d dV )(41θ 8．转筒真空过滤机，转速越大，则生产能力就越 ，每转一周所获得的滤 第三章非均相物系分离习题 习题1： 球形颗粒在静止流体中作重力沉降，经历________和_______两个阶段。沉降速度是指_______阶段，颗粒相对于流体的运动速度。 答案与评分标准 加速运动等速运动等速运动 （每个空1分，共3分） 习题2： u与其直径的______次方成正比；而在湍流在滞留区，球形颗粒的沉降速度 t u与其直径的______次方成正比。 区， t 答案与评分标准 2 1/2 （每个空1分，共2分） 习题3： 降尘室内，颗粒可被分离的必要条件是_____________________________；而气体的流动应控制在__________________流型。 答案与评分标准 θ。(2分) 气体在室内的停留时间θ应≥颗粒的沉降时间 t 滞流（1分） （共3分） 习题4： u条件下，降尘室的生产能力只取决于_____________而在规定的沉降速度 t 与其__________________无关。 答案与评分标准 降尘室底面积 (2分) 高度 （1分） （共3分） 习题5： 除去气流中尘粒的设备类型有__________、___________、__________等。 答案与评分标准 降尘室 惯性除尘 旋风分离器 （每个空1分，共3分） 习题6： 过滤常数K 是由__________及___________决定的常数；而介质常数e q 与e 是反映________________的常数。 答案与评分标准 物料特定 过滤压强差 过滤介质阻力大小 （每个空1分，共3分） 习题7： 工业上应用较多的压滤型间歇过滤机有__________与___________；吸滤型连续操作过滤机有________________。 答案与评分标准 板框压滤机 加压叶滤机 转筒真空过滤机 第一章 绪论 1.分离技术的三种分类方法各有什么特点？ 答：（1）按被分离物质的性质分类分为物理分离法、化学分离法、物理化学分离法。 （2）按分离过程的本质分类分为平衡分离过程、速度差分离过程、反应分离过程。 （3）场流分类法 2.分离富集的目的？ 答：①定量分析的试样通常是复杂物质，试样中其他组分的存在常常影响某些组分的定量测定，干扰严重时甚至使分析工作无法进行。这时必须根据试样的具体情况，采用适当的分离方法，把干扰组分分离除去，然后才能进行定量测定。②如果要进行试样的全分析，往往需要把各种组分适当的分离，而后分别加以鉴定或测定。③而对于试样中的某些痕量组分，进行分离的同时往往也就进行了必要的浓缩和富集，于是就便于测定。因此物质的化学分离和测定具有同样重要意义。 3.什么是直接分离和间接分离？ 答：直接分离是将待测组分从复杂的干扰组分分离出来；间接分离是将干扰组分转入新相，而将待测组分留在原水相中。 4.阐述浓缩、富集和纯化三个概念的差异与联系？ 答：富集：通过分离，使目标组分在某空间区域的浓度增大。浓缩：将溶剂部分分离，使溶质浓度提高的过程。纯化：通过分离使某种物质的纯度提高的过程。 根据目标组分在原始溶液中的相对含量（摩尔分数）的不同进行区分： （方法 被分离组分的摩尔分数）富集 <0.1；浓缩 0.1－0.9；纯化 >0.9。 5.回收因子、分离因子和富集倍数有什么区别和联系？ 答：（1）被分离物质在分离过程中损失量的多少，某组分的回收程度，用回收率来表示。 待测组分A 的回收率，用RA 表示，QA °---为富集前待测物的量；QA---富集后待测物的量。%100?= A A A Q Q R （2）分离因子：两组分的分离程度。用SA ， B 表示。B A B A B A B ,//R R Q Q Q Q S A =??= A —待测组分；B —干扰组分。如果待测组分A 符合定量要求，即可认为QA ≈ Q oA ，SA,B ≈ Q oB/QB = 1/RB ，常量组分测定：SA,B ≈103；分离因子越大，分离效果越好。 （3）富集倍数：目标组分和基体组分的回收率之比，用F 表示， M M T T M T Q Q Q Q R R F //== RT 为组分的回收率；RM 为基体的回收率； QT °为富集前待测物的量； QT 为富集后待测物的量；QM °为富集前基体的量；QM 为富集后基体的量。 第二章 分离过程中的热力学 2.气体分子吸附在固体吸附剂表面时，某吸附等温线可以由朗格缪尔吸附方程得到。试分析吸附物质的吸附平衡常数K 与该气体物质在气相的分压p 需满足什么条件才能使朗格缪尔吸附等温线近似为直线。 答：溶质吸附量q 与溶质气体分压p 的关系可以用朗格缪尔吸附方程表示：p K p K q q A A +=1max ，式中qmax 为溶质在固相表面以单分子层覆盖的最大容量；KA 为溶质的吸附平衡常数。在低压时，p K q q p K A A max 1=，《。 非均相物系分离习题及答案 1、试计算直径为30μm 的球形石英颗粒（其密度为2650kg/ m 3 ），在20℃水中和20℃常压空气中的自由沉降速度。 解：已知d =30μm 、ρs =2650kg/m 3 （1）20℃水 μ=1.01×10-3Pa ·s ρ=998kg/m 3 设沉降在滞流区，根据式（2-15） m/s 1002.810 01.11881.9)9982650()1030(18)(43262---?=???-??=-=μρρg d u s t 校核流型 )2~10(1038.210 01.19981002.8103042346-----∈?=?????==μρ t t du Re 假设成立， u t =8.02×10-4m/s 为所求 （2）20℃常压空气 μ=1.81×10-5Pa ·s ρ=1.21kg/m 3 设沉降在滞流区 m/s 1018.710 81.11881.9)21.12650()1030(18)(25262---?=???-??=-=μρρg d u s t 校核流型： )2~10(144.010 81.121.11018.710304526----∈=?????==μρ t t du Re 假设成立，u t =7.18×10-2m/s 为所求。 2、密度为2150kg/ m 3的烟灰球形颗粒在20℃空气中在滞流沉降的最大颗粒直径是多少？ 解：已知ρs =2150kg/m 3 查20℃空气 μ=1.81×10-5Pa.s ρ=1.21kg/m 3 当2==μρ t t du Re 时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理 218)(23==-μρμ ρρρt s du g d 所以分离课后习题及答案.
分离工程课后习题答案刘家祺
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