研究生《分离工程》考试试卷（2009-12）年级 专业 导师姓名 成绩一、填空题（20分）1. 按所依据的物理化学原理不同，传质分离过程可分为两类，即 平衡分离过程和 速率控制分离过程 。

分离过程常借助分离剂将均相混合物变成两相系统，分离剂有 能量媒介（ESA ） 和物质媒介（MSA ） 两种类型.2. 影响板式精馏塔分离效率的因素包括： 传质速率 ， 流型和混合效应 ， 雾沫夹带 和 物性的影响 。

4. 精馏操作中, 以板效率定义理论板和实际板的差异, 以汽相浓度表示的板效率定义为: (数学式,在第i 块板上) ii i+1MV *i+1y -y E =y -y 。

5. 萃取精馏中溶剂的作用可以概括为两点：对原溶液各组分产生不同程度的作用 和 稀释原溶液，减小各组分相互作用 。

6. 全回流精馏状态下得到的理论板数是,,,,,lg lg D lk B hkD hk B lk m lk hkx x x x N α⎛⎫⋅ ⎪ ⎪⎝⎭=为最少理论塔板数 ,而最小回流比为 1iB Dim i iBx R ααθ=--∑ 理论塔板数无穷多时的回流比 。

7. 液液萃取的分配比定义为: 达到萃取平衡时，被萃物在萃取相中的浓度与被萃物在被萃相中的浓度之比 .8. 固膜分离技术包括: 微过滤 超过滤 和 反渗透等。

9. 分离的过程耦合是将不同性质的分离过程自身或与反应过程耦合起来，例如：萃取结晶、吸附蒸馏、化学吸收和化学蒸馏等.10. 结晶图中，饱和S-S和过饱和曲线T-T将整个区域分为3个区，其中S-S和T-T之间的区称为亚稳定区，它又分为刺激结晶区和养晶区两个区。

11 相平衡常数的计算方法有状态方程法和活度系数法两种方法12. 相平衡关系可用相图，相平衡常数和分离因子等来表达。

13. 通常所说多组分精馏的FUG简捷计算法中，F代表芬斯克方程，用于计算全回流操作时，达到分离要求所需要的最少理论塔板数，U代表恩德吾特公式，用于计算最小回流比，G代表吉利兰关联，用于确定实际回流比下所需理论塔板数。

14. 如果想用离子交换法去除溶液中的Na+，应用阳离子型的离子交换树脂，并用稀酸洗脱。

二、简答题（20）1. 什么是物料的露点？它与物料的哪些参数有关？答：物料的露点分为露点温度和露点压力两类。

当压力一定时，物料蒸汽凝结出第一个液滴时的温度为露点温度；当温度一定，恒温增压到结出第一滴露珠时的压力为露点压力。

它与物料的粘度，沸点等参数有关，也与气体压力以及待结露物质在气体中含量有关。

2. 反胶束萃取的萃取效率与什么效率有关？答：影响反胶束萃取蛋白质的主要因素，如下：1）与反胶束相有关因素包括：表面活性剂的种类、表面活性剂的浓度、有机溶剂的种类、助表面活性剂及其浓度；2）与水相有关的因素包括：pH 值、离子的种类、离子的强度；3）与目标蛋白质有关的因素包括：蛋白质的等电点、蛋白质的大小、蛋白质的浓度和蛋白质表面的电荷分布；4）与环境有关因素包括：系统的温度和系统的压力。

只要通过对这些因素进行系统的研究，确定最佳操作条件，就可得到合适的目标蛋白质萃取率，从而达到分离纯化的目的。

3. 详细介绍浓差极化想象 (现象介绍，数学推导)，及其影响。

答：由于在反渗透过程中，大部分溶质被截留，溶质在膜表面附近积累，因此从料液主体到膜表面建立起有浓度梯度的浓度边界层，溶质在膜表面的浓度高于它在料液主体中的浓度，这种现象称为浓差极化。

浓差极化的数学推导：图 浓差极化当过程达到稳态时，边界层内的浓度分布一定，取边界层内任意平行于膜面的截面Ⅰ和膜的透过液侧表面Ⅱ，作Ⅰ-Ⅱ两平面间溶质A 的物料横算:式中J ——透过液总渗透通量，kmol/（m ·s ）；X A1,X A2 ——分别为截面1和截面11上溶质A 的摩尔分率； D WA ——溶质A 在水中的扩散系数，m 2/s ；c ——截面1处料液的总摩尔浓度，kmol/m 3，可视为常数。

从Z=0（x A =x A1 ）到Z=L(x A =x Ai )积分得：Ai A2A1A2x -x lnx -x wA J L J C D Ck == 或 Ai A2A1A2x -x exp x -x JCk= 反渗透应该有较高的截留率，即x Ai ＞x A1》x A2，故上式可简化为x Ai /x A1称为浓差极化比，它表示浓差极化的大小，此值越大，表示膜表面处溶液浓度比主体浓度大的多，浓差极化严重。

浓差极化对过程的不利影响:⑴由于浓差极化，膜表面处溶液浓度升高，使溶液的渗透压升高，当操作压差一定时，过程的有效推动力下降，导致对渗透通量下降。

⑵使截留率下降。

⑶Cw 高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增加。

4. 使用图形描述等温闪蒸计算秋汽化分率的迭代过程 (K i 和Z i 已知)答：等温闪蒸计算过程如下： ① 令料液的汽化率为e ，即：/e VF =则有：VeF = 和 (1)L e F =-②由相平衡关系和组分物料平衡式得到液相和汽相组成计算式： 相平衡常数关联式：(,,,)i i K f p T =x y (1,,)i c =L 式（2-85）(1)1ii i z x K e =-+ 式（2-97）(1)1i ii i K z y K e =-+ 式（2-98）③计算收敛时，()0iiiy x -=∑，设目标函数为：(1)()()(1)1i i i i iii z K G e y x K e -=-=-+∑∑式（2-99）④用牛顿迭代法的计算迭代式为： 等温闪蒸计算框图如下：（注：在此取初值e=（T －T b ）/（T d －T b ）），在迭代计算中逐步修正而趋于正解释.三．计算 （10）：某精馏塔的进料组成及各组分在全塔平均温度下的相平衡常数列于下表。

进料量为100kmol/h, 要求塔釜组分B 浓度不高于0.6%, 塔釜组分C 的回收率为98.6%,试计算： （1） 最少理论板数（2） 全回流下塔顶和塔底产品的量和组成解：根据题意定B 为轻关键组分，C 为重关键组分。

D 为重组分再作物料衡算时，要根据它的相对挥发度与轻关键组分、重关键组分相对挥发度的比例，初定馏出液和釜液中的分配比，并通过计算在进行修正。

物料衡算如下表：*为D 的初定值。

解得 D=45.815，W=54.185 则 d B =34.675，w B =0.325d C =10*(1-0.986)=0.14 w C =9.86N m =lg 〔(34.675/0.325)/(0.14/9.86)〕/lg(2.0/1.0)=12.9 由N m 值求出D 组分的馏出量和釜液量：d D =45*(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm /〔1+(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm 〕=0.327 w D = 45-0.327=44.673由于与初定值偏差较大，故直接迭代重做物料衡算：二次解得：D=45.674，W=54.326 则 d B =34.674 ，w B =0.326 d C =0.14，d C =9.86N m =lg 〔(34.674/0.326)/(0.14/9.86)〕/lg(2.0/1.0)=12.9 由N m 值求出D 组分的馏出量和釜液量：d D =45*(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm /〔1+(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm 〕=0.327 w D = 45-0.327=44.673最终塔顶塔釜的量为：D=45.674，W=54.326过程设计题（50分，3选2，画出工艺流程图，标注主要技术参数，写出工作原理，一个实验室可合作设计一个方案）1.重庆渝港钛白粉厂，在以硫酸法生产钛白粉的过程中，产生大量的20%的废酸，其中含有大量的Ca2+，Fe2+, Mg2+, Ti2+等金属离子。

工艺中将废酸浓缩至80%回用，但因为金属离子在过程中的结晶析出，导致换热器壁的结垢甚至堵塞，请你设计一个方案解决此问题。

答：膜分离技术处理含金属离子硫酸液不仅节能、工艺简单、不会产生二次污染,并能实现硫酸与金属盐类组分的分离,使金属盐类组分充分回收。

在以硫酸法生产钛白粉的过程中，大量的Ca2+，Fe2+, Mg2+, Ti2+等金属离子可用电渗析的方法除去，从而避免了金属离子的结晶析出造成换热器壁的结垢甚至堵塞。

电渗析法回收酸的关键在于离子交换膜的选用,一般的阴离子交换膜,H+容易通过,电流效率比较低,因此应采用难透过性阴离子膜,以提高电流效率;另外,从含有金属离子的酸废液中回收酸时,金属离子也会透过阳离子交换膜,因此选用阳离子交换膜时可选用一价离子交换膜。

首先将废酸放入电渗析装置，经电渗析装置可以把金属离子溶液滤出，从而剩下的溶液为浓度较大的硫酸，硫酸在经浓缩可以循环可用。

流程图如下：电渗析原理：两电极间交替放置阴阳离子膜，在二膜形成的隔室中充入含离子水溶液；接上电源后，溶液中带正点荷离子在电场作用下，向阴极方向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。

结果2、4隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降。

2. 重庆紫光化工生产的亚氨基二乙酸的过程中，亚氨基二乙酸结晶母液中含有2-3%的亚氨基二乙酸和大量的NaCl，请设计过程回收氨基二乙酸，并去除废水中的NaCl。

（膜分离除外）。

3.四川天华在以乙炔法生产BDO的过程中，副产一定量含有甲醇、水、正丙醇、正丁醇的溶液，组成如下表。

水与正丙醇、水与正丁醇分别能形成共沸溶液，请设计方案尽量回收甲醇和正丁醇。

废液组成组分分子量正常沸点，℃质量含量，% 摩尔含量，%甲醇32.042 64.6 18.5 17.31正丙醇60.097 97.2 1.1 0.55水18.015 100.0 39.4 65.56正丁醇74.123 117.7 41.0 16.58答：该副产物中甲醇的质量分率为18.5%，查其物性参数可知，甲醇不与其他组分产生共沸，分离难度小，可考虑先分离回收甲醇，先将该废液预热进入甲醇蒸馏塔（塔一），塔顶得较纯的甲醇溶液，塔底得正丁醇，正丙醇和水的混合液，并含有少量甲醇。

由于正丁醇和水在温度较低时为部分互溶体系，可先将该脱去甲醇的废液分层，上层为正丁醇层，下层为水层，温度越低分离程度越大，但要考虑液体在脱去甲醇后需要降温，并且在进行循环分离时还要升温，所以不能盲目降温。

将上层正丁醇层用正丁醇蒸馏塔（塔二）进行蒸馏，塔底得较纯的正丁醇，塔顶得正丁醇-水的共沸物。

将该共沸物经温度处理后引入分层装置进行循环分离。

分层装置中下层的水层用塔三可进行蒸馏，塔底得水，塔顶得正丁醇-水、正丙醇-水的共沸物，该部分可考虑作为燃料用。

正丁醇-水、正丙醇-水的共沸物的组成如下：体系共沸温度，℃共沸组成，水的质量分率，%水－正丙醇87.7 28.27水－正丁醇92.4 37.99。