对于恒压过滤______。()A. 滤液体积增大一倍则过滤时间增大为原来的 sqrt(2) 倍B. 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的2倍C. 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的4倍D. 当介质阻力不计时,滤液体积增大一倍,则过滤时间增大至原来的4倍
A. 滤液体积增大一倍则过滤时间增大为原来的 $\sqrt{2}$ 倍
B. 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的2倍
C. 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的4倍
D. 当介质阻力不计时,滤液体积增大一倍,则过滤时间增大至原来的4倍
题目解答
答案
解析
本题考查恒压过滤的相关知识,解题的关键在于理解恒压过滤方程,并根据不同条件(考虑介质阻力和不考虑介质阻力)来分析滤液体积与过滤时间的关系。
恒压过滤方程
恒压过滤时,过滤速率随过滤时间的变化而变化,其过滤方程为:
$\frac{dV}{dt}=\frac{KA^{2}}{2(V + Ve)}$
其中,$V$ 是滤液体积,$t$ 是过滤时间,$K$ 是过滤常数,$A$ 是过滤面积,$V_e$ 是虚拟滤液体积,它与过滤介质阻力有关。
对上述方程进行分离变量并积分可得:
$(V + Ve)^{2}=KAt + (Ve)^{2}$
考虑介质阻力时
设初始滤液体积为 $V_1$,对应的过滤时间为 $t_1$,则有:
$(V_1 + Ve)^{2}=KAt_1 + (Ve)^{2}$
当滤液体积增大一倍,即 $V_2 = 2V_1$ 时,对应的过滤时间为 $t_2$,则有:
$(V_2 + Ve)^{2}=KAt_2 + (Ve)^{2}$
将 $V_2 = 2V_1$ 代入上式可得:
$(2V_1 + Ve)^{2}=KAt_2 + (Ve)^{2}$
用 $t_2$ 对应的式子减去 $t_1$ 对应的式子可得:
$(2V_1 + Ve)^{2}-(V_1 + Ve)^{2}=KA(t_2 - t_1)$
展开式子:
$4V_1^{2}+4V_1Ve + Ve^{2}-(V_1^{2}+2V_1Ve + Ve^{2})=KA(t_2 - t_1)$
$3V_1^{2}+2V_1Ve=KA(t_2 - t_1)$
由于 $V_1$、$Ve$、$K$、$A$ 均为正数,所以 $t_2 - t_1$ 并不等于 $t_1$ 的 $\sqrt{2}$ 倍、$2$ 倍或 $4$ 倍,故选项 A、B、C 错误。
不考虑介质阻力时
当介质阻力不计时,$V_e = 0$,此时过滤方程变为:
$V^{2}=KAt$
设初始滤液体积为 $V_1$,对应的过滤时间为 $t_1$,则有:
$V_1^{2}=KAt_1$
当滤液体积增大一倍,即 $V_2 = 2V_1$ 时,对应的过滤时间为 $t_2$,则有:
$V_2^{2}=KAt_2$
将 $V_2 = 2V_1$ 代入上式可得:
$(2V_1)^{2}=KAt_2$
$4V_1^{2}=KAt_2$
用 $t_2$ 对应的式子除以 $t_1$ 对应的式子可得:
$\frac{4V_1^{2}}{V_1^{2}}=\frac{KAt_2}{KAt_1}$
$4=\frac{t_2}{t_1}$
即 $t_2 = 4t_1$,所以当介质阻力不计时,滤液体积增大一倍,则过滤时间增大至原来的 $4$ 倍,选项 D 正确。