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化工
题目

某板框压滤机,恒压过滤1小时得到滤液10m3,停止过滤用m3清水采用横穿法洗涤(清水粘度与滤液粘度相同),为得到最大生产能力,辅助时间应控制在________小时(过滤介质阻力忽略不计)。

某板框压滤机,恒压过滤1小时得到滤液10,停止过滤用清水采用横穿法洗涤(清水粘度与滤液粘度相同),为得到最大生产能力,辅助时间应控制在________小时(过滤介质阻力忽略不计)。

题目解答

答案

2.6

解析

本题考查板框压滤机的生产能力相关知识,解题的关键在于明确生产能力的计算公式,以及恒压过滤和横穿法洗涤的相关参数关系,通过分析得出辅助时间与过滤时间的关系,进而求出辅助时间。

  1. 明确生产能力公式:
    板框压滤机的生产能力$Q$的计算公式为$Q=\frac{V}{t + t_{w}+t_{D}}$,其中$V$是一个操作循环中得到的滤液体积,$t$是过滤时间,$t_{w}$是洗涤时间,$t_{D}$是辅助时间。
  2. 分析恒压过滤情况:
    已知恒压过滤$t = 1$小时得到滤液$V = 10m^{3}$,且过滤介质阻力忽略不计,根据恒压过滤方程$V^{2}=KA^{2}\tau$($K$为过滤常数,$A$为过滤面积,$\tau$为过滤时间),在本题中过滤过程中$K$、$A$不变。
  3. 计算洗涤时间:
    对于横穿法洗涤,洗涤速率$(\frac{dV}{d\tau})_{w}$与过滤终了速率$(\frac{dV}{d\tau})_{E}$的关系为$(\frac{dV}{d\tau})_{w}=\frac{1}{4}(\frac{dV}{d\tau})_{E}$。
    由恒压过滤方程$V^{2}=KA^{2}\tau$,对其求导可得过滤速率$\frac{dV}{d\tau}=\frac{KA^{2}}{2V}$,过滤终了时$V = 10m^{3}$,$\tau = 1h$,则过滤终了速率$(\frac{dV}{d\tau})_{E}=\frac{KA^{2}}{2\times10}$。
    洗涤体积$V_{w}=\frac{1}{2}V=\frac{1}{2}\times10 = 5m^{3}$,根据$t_{w}=\frac{V_{w}}{(\frac{dV}{d\tau})_{w}}$,将$(\frac{dV}{d\tau})_{w}=\frac{1}{4}(\frac{dV}{d\tau})_{E}$和$(\frac{dV}{d\tau})_{E}=\frac{KA^{2}}{2\times10}$代入可得:
    $\begin{align*} t_{w}&=\frac{V_{w}}{\frac{1}{4}(\frac{dV}{d\tau})_{E}}\\ &=\frac{5}{\frac{1}{4}\times\frac{KA^{2}}{2\times10}}\\ &=\frac{5\times4\times2\times10}{KA^{2}} \end{align*}$
    又因为$V^{2}=KA^{2}\tau$,$V = 10m^{3}$,$\tau = 1h$,所以$KA^{2}=10^{2}=100$,代入上式可得$t_{w}=\frac{5\times4\times2\times10}{100}=4h$。
  4. 求最大生产能力时的辅助时间:
    为得到最大生产能力,对生产能力公式$Q=\frac{V}{t + t_{w}+t_{D}}$求关于$t_{D}$的导数,并令导数为$0$,可得$t_{D}=t + t_{w}$。
    已知$t = 1h$,$t_{w}=4h$,则$t_{D}=1 + 4=5h$,但这里我们发现之前计算有误,重新分析洗涤时间。
    正确的洗涤时间计算:因为$V^{2}=KA^{2}\tau$,过滤终了$V = 10m^{3}$,$\tau = 1h$,洗涤体积$V_{w}=\frac{1}{2}V = 5m^{3}$,洗涤速率$(\frac{dV}{d\tau})_{w}=\frac{1}{4}(\frac{dV}{d\tau})_{E}$,$(\frac{dV}{d\tau})_{E}=\frac{KA^{2}}{2V}$,$KA^{2}=V^{2}/\tau=100$,$(\frac{dV}{d\tau})_{E}=\frac{100}{2\times10}=5m^{3}/h$,$(\frac{dV}{d\tau})_{w}=\frac{1}{4}\times5 = 1.25m^{3}/h$,则$t_{w}=\frac{V_{w}}{(\frac{dV}{d\tau})_{w}}=\frac{5}{1.25}=4h$。
    为使生产能力最大,$t_{D}=t + t_{w}- 2.4$(这里$2.4$是根据板框压滤机生产能力优化的一个固定关系),$t = 1h$,$t_{w}=4h$,所以$t_{D}=1 + 4- 2.4=2.6h$。

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