(完整版)新版化工原理习题答案(03)第三章非均相混合物分离及固体流态化-题解

1、15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/m3,直径为0.04 mm的球形石英颗粒在20 C空气中自由沉降，沉降速度是多少？ （2）密度为2 650 kg/m3,球形度0.6的非球形颗粒在 20 C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/m3,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：d2（ s ） Ut 18查附录20 c空气一 一 31.205kg/m ,51

2、.81 10 5 Pa s,所以,核算流型:Res18dut1.2053 20.04 10 32650 1.205 9.81_ 518 1.81 10m s 0.1276m s0.1276 0.04 10 31.81 10 50.34所以，原假设正确，沉降速度为（2）采用摩擦数群法0.1276 m/s。14 s gRe 3 2ut354 1.81 10 5 26501.205 9.813 1.2052 0.13431.9依 0.6, Re 1431.9,查出:Ret处 0.3,所以:其中5,0.3 1.81 10 5de4.5061.205 0.1(3)假设为滞流沉降，得:d2( s )g18

3、ut105m 45(imut h 0.15 7.32m s 0.02049m s将已知数据代入上式得：20.006352 7900 1600 9.81 -Pa s18 0.020496.757Pa s核算流型cdUt 0.00635 0.02049 1600Re L 6.7572.用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长0.03081 15 m,宽5 m,高4.2 m ,固体杂质为球形颗粒，密度为3000 kg/m3。气体的处理量为3000 （标准）m3/h。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。(1)若操作在20 C下进行，操作条件下的气体密度为1.06 kg/m3,黏度为1.8 M0-5 Pa

4、%。(2)若操作在420 C下进行，操作条件下的气体密度为0.5 kg/m3,黏度为3.3 >10-5 Pa?go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：q 3000 空3Ut j 273m s 0.03577m sbl 3600 5 5设沉降在斯托克斯区，则：d2( s )gUt 0.03577 185.18 Ut18 1.8 10 0.035775d 1.985 10 m 19.85um,(s )g (3000 1.06) 9.81核算流型：cdUt1.985 10 5 0.03577 1.06Ret- 5 0.0418 11.8 10原设滞流区正确,(2)计算过

5、程与能够完全除去的最小颗粒直径为1.985 M0-5 m。q v,sUtbl(1)相同。完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为:273 4203000 273m s 0.0846 m s3600 55设沉降在斯托克斯区，则:d18 3.3 105 0.0846. (3000 0.5) 9.814.132 105m 41.32 m核算流型:RedUt54.132 10 5 0.0846 0.553.3 1050.0529 1Utd2 s g186 210 10 63000 0.5518 3.31 10 5驹ms4.954 10 3 m s原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为4.132 1

6、0-5 m。3 .对2题中的降尘室与含尘气体， 在427 C下操作，若需除去的最小颗粒粒径为10试确定降尘室内隔板的间距及层数。解：取隔板间距为 h,令L h u ut则 h Lut(1)u3000 273 427u 吆 3600273 m s 0.1017msbH 5 4.2 尘粒的沉降速度由(1)式计算h53h 4.954 10 3m 0.244m0.1017层数n H/12_ 17.2取18层h 0.244H 4.2 h m 0.233m 1818核算颗粒沉降雷诺数：Retdut10 10 6 4.954 10 4 0.53.3 10 5_ 47.5 10核算流体流型:deURe (&a

7、mp;h)ub h2 5 0.2335.2330.1017 0.553.3 105686 21004 .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 =996.9 kg/m3,黏度 =0.897 3 10-3 Pa&。固体颗粒为棱长 0.080.7mm的正方体。已知：方铅矿密度si=7 500 kg/m3,石英矿密度 s2 = 2 650 kg/m3。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

8、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，Vp代表一个颗粒的体积。颗粒的当量直径为10 348.685 10 m因此，颗粒的球形度,Sde2S0.806用摩擦数群法计算最大石英粒子的沉降速度，即Re24d3 ( s23 2)g17538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：Ret14 ( si )g3 2u；34 0.8973 10 3(7500 996.9) 9.81233

9、 996.92 (0.07255)30.2011已知s =0.806,由图3-3查彳导Ret=30,则deRet330 0.8973 10 3m996.9 0.072553.722 10 4 ml3.722 10 m3 6与此当量直径相对应的正方体棱长为43 10 m所得纯方铅矿粒的棱长范围为0.30.7 mm。5 .用标准型旋风分离器处理含尘气体，气体流量为0.4 m3/s、黏度为3.6 10-5Pa?s、密度为0.674 kg/m3,气体中尘粒的密度为 2 300 kg/m3。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

10、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d9 B：Ne sUi式中 B - 4Ne=5qv,s u hB0.440.1m, h D/204 m s 20 m s0.1 例2将有关数据代入，得9 3.6 10 5 0.1de . mI 5 20 2300 n6.698 10 6m 6.698 10m分割粒径为d50 0.270.2753.6 10 5 0.4Ui s20 2300 0.674m 4.778 10 6m 4.778压强降为2028 一 0.674Pa 1078.4Pa2(2) p, u不变U

11、ihBq,sD-D8qv,s 8 2 0.4m 0.5657m, ui .209 B Ne sUi0.275 0.56579 3.6 10 53.14 5 2300 I m7.96 10 6 *m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 m2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K, Ve ,并写出恒压过滤

12、方程式。解：恒压过滤方程为:2q 2qqe K由实验数据知:1 5min ,q10.0010.1320.01m3 */m2635 mmX635 mmX25 mm。已知操作条件下过滤常数为K 2 10 5m2/s, qe 0.01m3/m2 ,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 q2 2qqe K25q2 0.02q 2 102233Vc 10 0.6352 0.025m3 0.1008m3Vc0.1008 33222V - m3 1.680m3, A 0.6352 2 1 0 m2 8.0645m2v 0.06V 1.6803232qm

13、 /m 0.208m /mA 8.0645代入恒压过滤方程0.2082 2 0.01 0.208 2 10 5得 2317.2s 39.52min8.在0.04 m2的过滤面积上以1 X10-4 m3/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3X104Pa；过滤600 s时，过滤压力差为 9X104 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 6X104 Pa时改为恒压操作。每获得1 m3滤液所生成的滤饼体积为0

14、.02 m3。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。与过滤压差之间的关系可表示为：p a b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：3M04=100a+b9M04=600a+b解得 a=120, b=1.8X104即p 1201.8 1044恒速阶段终了时的压力差Pr 6 10 Pa,故恒速段过滤时间为Pr ba4_46 104 1.8 104s120350s恒速阶段过滤速度与实验时相同V 1 10 4uR m/s 2.5A 0.04_ 310 m/s33232qRUr r 2.5 1

15、0 3 350m3/m2 0.875m3/m2根据方程3-71 ,2a = ru r2Urk120b r URqeURqek41.8 104解得： k 5.208 10-8mkg/m 3 1050 kg/m3 0.0723 0.9277 gmgm/(Pa s), qe 0.375m3/m2恒压操作阶段过滤压力差为6 M04Pa,所以K 2k p 2 5.208 10 8 6 104m2/s 6.250 10 ( 29301000 以1 m3悬浮液为基准求 vm2/s222板框过滤机的过滤面积 A 2 0.6352 m2 0.8065m2滤饼体积及单位过滤面积上的滤液体积为223Vc 0.635

16、2 0.06m2 0.0242m3/m23 /21.5m /mVcw0.02423q ()/mA 0.8065 0.02应用先恒速后恒压过滤方程22_(qqR) 2qe(q qR) K( r)将K、qe、qR、q的数值代入上式，得：1.52 0.87522 0.37 1.5 0.8756.252 10 3350解得662.5s9.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 C。已知碳酸钙颗粒为球形，密度为2 930 kg/m3。悬浮液中固体质量分数为0.072 3。滤饼不可压缩，每1 m3滤饼

17、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K和Ve ,滤饼的空隙滤 舟滤饼白比阻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K, Vee已知 15.4s, V 0.001m3；48.8s, V 0.002m3及A 2 0.162m2 0.0512m2代入恒压过滤方程式V2 2VVe KA210 1620 2 10 3Ve 15.4 0.05122K4 10 6 4 10 3Ve 48.8 0.05122 10 5 K联立以上两式，解得 K 4.234 10 滤饼体积 Vs 1050 0.0723m3 0.0

18、4686m3, 滤液体积 V 1 V 0.9531mm2/s, V 3.547 10 4m3滤饼的空隙滤 1 您0 0.4471悬浮液的密度29300.046860 04920.9531 0.0492滤饼不可压缩时,2k p2 p rv3所以，滤饼比阻为r 红 38 105m22.648 1014m 2vK 10 3 0.0492 4.234 103143颗粒的比表面积a (2)0.5 (2.648 100.4471 )0.5 m2 m3 3.935 106 m2 m35(1)5 (1 0.4472)10.板框压滤机过滤某种水悬浮液，已知框的长 侬X高为810 mmX810 mmX42 mm

19、,总框数为10,滤饼体积与滤液体积比为=0.1,过滤10 min,得滤液量为1.31 m3,再过滤10 min ,共得滤液量为1.905 m3,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 A 0.812 2 10 13.122m2由恒压过滤方程式求过滤常数_221.312 2 1.31Ve 13.1222 10 60K221.9052 2 1.905Ve 13.1222 20 60K联立解出 Ve 0.1376m3, K 2.010 10 5m2/s恒压过滤方程式为 V2 0.2752V 3461 1

20、0 333Vc 0.81 0.81 0.042 10m30.2756m3c3V 2.756m3 v代入恒压过滤方程式求过滤时间232.7562 0.2752 2.756 / 3.461 10 3 s 2414s 40.23min（2）生产能力Q0.27563m /s2414 45 60534.823 10 5m3/s30.206m3/h11.在67 103Pa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=5X10-5 m2/s, qe=0.01 m3/m2,滤饼体积与滤液体积之比50.08。现拟用有38个框的3BMY50/810-25型板框压滤机在134 10 Pa压力下过滤上述悬

21、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（m3滤液/h）。解：（1）硅藻土， s 0.01,可按不可压缩滤饼处理K 2k p , qe与p无关p 134 103Pa时，K 1 104m2/s, qe 0.01m3/m238 2_2220.812m249.86m2VC 0.6233 33V - m3 7.791m3,v 0.08代入恒压过滤方程式求过滤时间7.79149.86一 3/一 2m /m320.1563m3/m220.15632

22、 2275.6s(2)洗涤0.01 0.156310Vw0.1V0.7791m3dV ddV dKA28 V VeKA8 qqe(3)生产能力10 48 0.156349.86333.m s 3.748 10 ms0.010.7791 s 0.003748207.9s7.7913275.6 207.9 15 60 / 3600m3/h20.27m3/h12.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,5233.2K 4 10 m/s, qe 7 10 m /m ,-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120。)，