华北理工大学环境工程原理习题及解答第10章 其他分离过程.docx

第十章其他分离过程10.1 用H型强酸性阳离子交换树脂去除质量浓度为5%的KCI溶液,交换平衡时,从交换柱中交换出来的H离子的摩尔分数为0.2,试计算K离子的去除率。已知K：=2.5,溶液密度为1025kgm解:溶液中K+的摩尔浓度为2二QIz8=0.688molLK”%。-。）。斗-。）v（1-y<J/.（-02）所以XK=0.09K离子的去除率为I-X-=1-0.09=0.91K10.2 用H型强酸性阳离子树脂去除海水中的Na+、K+离子（假设海水中仅存在这两种阳离子），已知树脂中H+离子的浓度为0.3molL,海水中Na+、K嘀子的浓度分别为OjmoIzL和0.02molL,求交换平衡时溶液中Na+、K+离子的浓度。已知母：=3.0,4=2.0。解：/：("2)=30,KX*='m'°-"")=2.0”(I-%)L(I-ZJ同时°3>V=0l(l1),0.3%=0.02Qf.)联立以上几式，求得XK=0.023,%加=0.162所以平衡时溶液中的浓度Na+为0.0162molL,K+为0.00046mol/L10.3 某强碱性阴离子树脂床,床层空隙率为0.45,树脂颗粒粒度为0.25mm,孔隙率为0.3,树脂交换容量为2.5molm3,水相原始浓度1.ZmoVnP,液相与树脂相离子扩散系数分别为d=34×10m2h、D,=2,ixi32h,溶液通过树脂床的流速为4mho试判断属哪种扩散控制。解：彼克来准数de=四4x0I25×IO3(1-/)43(l-O45)34XM=0.0089Vermeulen准数UXi(25x21x101+34lOr0300089-2=22.253.4X1(vv12x045r)所以属于液膜扩散控制。10.4 已知某条件下，丙酮（A）水（B）氯苯（S）三元混合溶液的平衡数据如下:水层（质量分数）氯苯层（质量分数）丙酮（A）水(B)氯苯（S）丙酮（A）水(B)氯苯（S）099.890.1100.1899.821089.790.2110.790.4988.722079.690.3122.230.7976.983069.420.5837.481.7260.804058.641.3649.443.0547.515046.283.7259.197.2433.576027.4112.5961.0722.8515.0860.5825.6613.7660.5825.6613.76根据以上数据：（1）在直角三角坐标图上绘出溶解度曲线、联结线和辅助曲线：（2）依质量比组成绘出分配曲线（近似认为前五组数据B、S不互溶）：（3）水层中丙酮浓度为45%时，水和氯苯的组成：（4）与上述水层相平衡的氯苯层的组成：（5）如果丙酮水溶液质量比浓度为0.4kg（A）kg（B）,而且BS=2。萃取剂为纯氯苯，在分配曲线上求出组分A在萃余相中的组成：(6)由O.12kg氯苯和0.08kg水构成的混合液中,加入多少丙酮可以使三元混合液成为均相溶液。解：做图并依图解答，解略。10.5 用三氯乙烷做萃取剂萃取污水中某种有机物(质量分数为0.3),原料液的流量为1000kgh,萃取剂的用量为800kgh,分别采用单级萃取和二级错流萃取(每级萃取剂用量相同)，求萃取后萃余相中该有机物的含量。分配曲线如下图所示。0.4图10-1习题10.5图示解：(1)单级萃取原液中丙酮的质量比为X"二°3(1 03)= 0.428操作线的斜率为-喀臀1=-0.875在分配曲线图上，过(0.428,0)作斜率为-0.875的操作线，交分配曲线于点(XmR,YmE),即可以得到萃余相的组成，XmR=O.22。所以萃余相中，丙酮的质量分数为0.180.5图102习题10.5图的操作线1(2)二级错流二级错流时，每级萃取剂的用量相同，所以每级操作线的斜率为-BS=-×0-°3)=-1.75400在分配曲线图中过(0.428,0)作斜率为-1.75的第一级操作线，交分配曲线于点(Xm,Yml),此点的坐标为第一级萃余相和萃取相的组成，然后过(XmI,0)作第一级操作线的平行线交分配曲线于(Xm2,Ym2),即得到二级错流萃余相的组成Xm2=0.145O所以，萃余相中丙酮的质量分数为0.127o0.50.4-图10-3习题10.5图的操作线2由于作图的缘故，最后的结果可能会有差异。10.6 假设萃取剂S和稀释剂B完全不互溶,在多级错流萃取的情况下，如果平衡关系可以用y=ax表示,且各级萃取剂用量相等，证明所需的理论级数为（X/XQN=f、In（1+kSB）式中S为每级萃取剂用量,XmN为溶质A在萃余相中的终浓度。证明：在多级错流萃取中，每级的操作线方程可以分别表示如下（假设YmO=0）:%=-（XYXq，因为耳=,所以wl=B）所以,J=-1（XlXG,所以，X.二（.二盯所以（1+K/3）"二it两边取对数，得nn(+kSB)=In(X"/Xwn)所以I(l+*56)10.7 用45kg纯溶剂S萃取污水中的某溶质组分A,料液处理量为39kg,其中组分A的质量比为X"=03,而且S与料液组分B完全不互溶,两相平衡方程，=L5X-分别计算单级萃取、两级错流萃取（每级萃取剂用量相同）和两级逆流萃取组分A的萃出率。解：（1）单级萃取料液中B的量为B=39/1.3=30kg根据物料衡算BxXmF=SxYJBxXrnR又因为，r=L5X,成所以萃余相溶质质量比为XM=-驷3_=092i5530*15x45所以溶质A的萃出率为69.3%（2）两级错流两级错流的情况下,每级的萃取剂用量为22.5kg则第一级萃余相的浓度为X*"÷l5S.30x03-30+1 5×22.5=0.14因为第一级的萃余相浓度就是第二级的原料液浓度，因此可以计算第二级的萃余相浓度30x014=o+l55» 30+1 5 x 22.5因此溶质A的萃出率为78%（3）两级逆流两级逆流的物料衡算为BX(XMX，J=Sx(匕工J,Bx(Xinl-Xm2)=SYm2又根据相平衡方程匕I=1.5X,由以上三个方程式可以求得X2=0.036所以溶质A的萃出率为88%10.8 采用多级逆流萃取塔，以水为萃取剂，萃取甲苯溶液中的乙醛。原料液流量为IOOOkgh,含有乙醛0.15,甲苯0.85(质量分数)。如果甲苯和水认为完全不互溶，乙醛在两相中的分配曲线可以表示为。=22x-O如果要求萃余相中乙醛的含量降至0.01,试求：(1)最小萃取剂用量：(2)如果实际使用的萃取剂为最小萃取剂的1.5倍,求理论级数。解：(1)原料液中乙醛的质量比为X,f=0.15/(1-0.15)=0.176最终萃余相中乙醛的质量比为Xnui=0.01/(I-0.01)=0.01所以多级逆流操作的的操作线方程为过点(0.01,0)和点(0.176,Ymi)的直线，当点(0.176,YmI)在分配曲线上时，对应最小萃取剂的用量。此时，Ymi=2.2x0.176=0.387所以操作线的斜率为6w二震=2.21最小萃取剂用量为Sn=-=IooOX°*=384.6kg/h(2)如果萃取剂的用量为S=1.5X384.6=576.9kg/h操作线的斜率为自=85°=1.47S5769于是可以得到操作线和分配曲线图,用作图法可以求得理论级数为5。0.5图10-4习题10.8图多级逆流萃取塔操作线和分配曲线图10.9 用反渗透过程处理溶质为3%（质量分数）的溶液,渗透液含溶质为i5×o-6o计算截留率和选择性因子a并说明这种情况下哪一个参数更适用。解：溶质的量很少，可以忽略溶质对溶液体积和总摩尔数的影响，所以截留率:Q0.03-0.00015-B=0.99510.03选择性因子:fB=YJYb-030.97_Xjx0.0I5099985在溶质的量与溶液相比很少，选择性因子很大时,采用截留率表征分离情况,结果更为清晰，容易理解。10.10 用膜分离空气（氧20%,氮80%）,渗透物氧浓度为75%。计算截留率少和选择性因子,并说明这种情况下哪一个参数更适用。解：氮气截留率：zx-25%=0687580%选择性因子：)dO75O2512%=M限xx/%0.2/0.8由于分离的两个组分总体数量相差不大,两个参数比较,选择性因子更能反映膜分离空气的效率,所以这个参数更适用。10.11 含盐量为900Omg(NaC1)L的海水,在压力5.6MPa下反渗透脱盐。在25下，采用有效面积为12cm2的醋酸纤维素膜,测得水流量为0.012cmVs,溶质浓度为450mgLo求溶剂渗透系数、溶质渗透系数和脱盐率(已知该条件下,渗透压系数为1.8xl()3MPa)。解:原料液含盐摩尔分数xaf=0.0027渗透液含盐摩尔分数Xap=0.00014所以渗透压AU=1.8XIO3X(0.0027-0.00014)=4.61MPa溶剂通量为Nv=LOx105m3(m)所以溶剂渗透系数Kw=LOlX105m7(m2sMPa)=3.64X10-2m3(m2hMPa)4A"Al溶质通量为N11=7.69X105mol(m2s)溶质渗透系数K=1小忆=526X10-7ms=1.89x103nVhKlR-769脱盐率=8二?"=095153810.12 20°C,20MPa下,某反渗透膜对5000mgL的NaCI溶液的截留率为90%,已知膜的水渗透系数为4.8×10-5g/(Cm2sMPa),求30MPa下的截留率。解:进料侧盐摩尔浓度为O=j=0855molL透过侧盐摩尔浓度为CP=CF(l)=0.00855molL膜两侧的渗透压差为AU=83M*293X2X(Oo855.OoO855)=0375MPann由式(10.3.22),可得溶质渗透系数K,=>川训=.3(2。w=105IOFS9假设当膜两侧压力为30MPa时,截留率为例此时,膜两侧的渗透压差为At/=83l4293200855A=042gI(XX)1所以一4("X_4.8!(3)-O42MLKlt(p-<)÷K4-4.8X10"X(30-O42/J1)÷I05X1O'4可求得j81=93.1%10.13 用微滤膜处理某悬浮液,O.IMPa下,滤膜的清水通量为150L(m2h),已知悬浮颗粒为0.1m的球形微粒，当滤饼层的厚度为6m,空隙率为0.2时,滤膜的通量为40L(m2h),求此时的过滤压差。解:微滤膜的阻力为R=AP_ 0.1X IQ6X 3600Nw E -150 X 10-3h5r田2.4X 10,2m,滤饼的比阻力为rc=180XCj-=