《分離工程》考試試卷2009答案.doc

研究生分離工程考試試卷（2009-12）年級 專業(yè) 導(dǎo)師 姓名 成績一、填空題（20分）1. 按所依據(jù)的物理化學(xué)原理不同，傳質(zhì)分離過程可分為兩類，即 平衡分離過程 和 速率控制分離過程 。分離過程常借助分離劑將均相混合物變成兩相系統(tǒng)，分離劑有 能量媒介（ESA） 和物質(zhì)媒介（MSA） 兩種類型.2. 影響板式精餾塔分離效率的因素包括： 傳質(zhì)速率 ， 流型和混合 效應(yīng) ， 霧沫夾帶 和 物性的影響 。4. 精餾操作中, 以板效率定義理論板和實際板的差異, 以汽相濃度表示的板效率定義為: (數(shù)學(xué)式,在第i塊板上) 。5. 萃取精餾中溶劑的作用可以概括為兩點：對原溶液各組分產(chǎn)生不同程度的作用 和 稀釋原溶液，減小各組分相互作用 。6. 全回流精餾狀態(tài)下得到的理論板數(shù)是 為最少理論塔板數(shù) , 而最小回流比為 理論塔板數(shù)無窮多時的回流比 。7. 液液萃取的分配比定義為: 達(dá)到萃取平衡時，被萃物在萃取相中的濃度與被萃物在被萃相中的濃度之比 . 8. 固膜分離技術(shù)包括: 微過濾 超過濾 和 反滲透 等。9. 分離的過程耦合是將不同性質(zhì)的分離過程自身或與反應(yīng)過程耦合起來，例如： 萃取結(jié)晶 、 吸附蒸餾 、 化學(xué)吸收 和 化學(xué)蒸餾 等.10. 結(jié)晶圖中，飽和S-S和過飽和曲線T-T將整個區(qū)域分為3個區(qū)，其中S-S和T-T之間的區(qū)稱為 亞穩(wěn)定區(qū) ， 它又分為 刺激結(jié)晶區(qū) 和 養(yǎng)晶區(qū) 兩個區(qū)。11 相平衡常數(shù)的計算方法有 狀態(tài)方程法 和 活度系數(shù)法 兩種方法12. 相平衡關(guān)系可用 相圖 ， 相平衡常數(shù) 和 分離因子 等來表達(dá)。13. 通常所說多組分精餾的FUG簡捷計算法中，F(xiàn)代表 芬斯克 方程，用于計算 全回流操作時，達(dá)到分離要求所需要的最少理論塔板數(shù)，U代表 恩德吾特 公式，用于計算 最小回流比 ，G代表 吉利蘭 關(guān)聯(lián)，用于確定 實際回流比下所需理論塔板數(shù) 。14. 如果想用離子交換法去除溶液中的Na+，應(yīng)用 陽離子 型的離子交換樹脂，并用 稀酸 洗脫。二、簡答題 （20）1. 什么是物料的露點？它與物料的哪些參數(shù)有關(guān)？答：物料的露點分為露點溫度和露點壓力兩類。當(dāng)壓力一定時，物料蒸汽凝結(jié)出第一個液滴時的溫度為露點溫度；當(dāng)溫度一定，恒溫增壓到結(jié)出第一滴露珠時的壓力為露點壓力。 它與物料的粘度，沸點等參數(shù)有關(guān)，也與氣體壓力以及待結(jié)露物質(zhì)在氣體中含量有關(guān)。2. 反膠束萃取的萃取效率與什么效率有關(guān)？ 答：影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素，如下：1） 與反膠束相有關(guān)因素包括：表面活性劑的種類、表面活性劑的濃度、有機(jī)溶劑的種類、助表面活性劑及其濃度；2） 與水相有關(guān)的因素包括：pH值、離子的種類、離子的強(qiáng)度；3） 與目標(biāo)蛋白質(zhì)有關(guān)的因素包括：蛋白質(zhì)的等電點、蛋白質(zhì)的大小、蛋白質(zhì)的濃度和蛋白質(zhì)表面的電荷分布；4） 與環(huán)境有關(guān)因素包括：系統(tǒng)的溫度和系統(tǒng)的壓力。只要通過對這些因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，確定最佳操作條件，就可得到合適的目標(biāo)蛋白質(zhì)萃取率，從而達(dá)到分離純化的目的。3. 詳細(xì)介紹濃差極化想象 (現(xiàn)象介紹，數(shù)學(xué)推導(dǎo))，及其影響。答：由于在反滲透過程中，大部分溶質(zhì)被截留，溶質(zhì)在膜表面附近積累，因此從料液主體到膜表面建立起有濃度梯度的濃度邊界層，溶質(zhì)在膜表面的濃度高于它在料液主體中的濃度，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化的數(shù)學(xué)推導(dǎo)：圖 濃差極化當(dāng)過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，邊界層內(nèi)的濃度分布一定，取邊界層內(nèi)任意平行于膜面的截面和膜的透過液側(cè)表面，作-兩平面間溶質(zhì)A的物料橫算:式中J透過液總滲透通量，kmol/（ms）；XA1,XA2 分別為截面1和截面11上溶質(zhì)A的摩爾分率；DWA溶質(zhì)A在水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；c截面1處料液的總摩爾濃度，kmol/m3，可視為常數(shù)。從Z=0（xA=xA1 ）到Z=L(xA=xAi )積分得： 或 反滲透應(yīng)該有較高的截留率，即xAixA1xA2，故上式可簡化為xAi/xA1稱為濃差極化比，它表示濃差極化的大小，此值越大，表示膜表面處溶液濃度比主體濃度大的多，濃差極化嚴(yán)重。濃差極化對過程的不利影響:由于濃差極化，膜表面處溶液濃度升高，使溶液的滲透壓升高，當(dāng)操作壓差一定時，過程的有效推動力下降，導(dǎo)致對滲透通量下降。使截留率下降。Cw高于溶解度時，會出現(xiàn)沉淀，使膜阻力增加。 4. 使用圖形描述等溫閃蒸計算秋汽化分率的迭代過程 (Ki和Zi已知) 答：等溫閃蒸計算過程如下： 令料液的汽化率為e，即： 則有： 和 由相平衡關(guān)系和組分物料平衡式得到液相和汽相組成計算式：相平衡常數(shù)關(guān)聯(lián)式： 式（2-85） 式（2-97） 式（2-98）計算收斂時，設(shè)目標(biāo)函數(shù)為： 式（2-99）用牛頓迭代法的計算迭代式為： 等溫閃蒸計算框圖如下：（注：在此取初值e=（TTb）/（TdTb），在迭代計算中逐步修正而趨于正解釋. 三計算 （10）： 某精餾塔的進(jìn)料組成及各組分在全塔平均溫度下的相平衡常數(shù)列于下表。進(jìn)料量為100kmol/h, 要求塔釜組分B濃度不高于0.6%, 塔釜組分C的回收率為98.6%,試計算： （1） 最少理論板數(shù) （2） 全回流下塔頂和塔底產(chǎn)品的量和組成解：根據(jù)題意定B為輕關(guān)鍵組分，C為重關(guān)鍵組分。D為重組分再作物料衡算時，要根據(jù)它的相對揮發(fā)度與輕關(guān)鍵組分、重關(guān)鍵組分相對揮發(fā)度的比例，初定餾出液和釜液中的分配比，并通過計算在進(jìn)行修正。物料衡算如下表： 10*0.986=9.86組分進(jìn)料，fi餾出液，di釜液，wi A10 10 B 35 35-0.006W0.006W C 10 0.149.86D 45 1* 44*為D的初定值。 解得 D=45.815，W=54.185則 dB=34.675，wB=0.325 dC=10*(1-0.986)=0.14 wC=9.86Nm=lg(34.675/0.325)/(0.14/9.86)/lg(2.0/1.0)=12.9由Nm值求出D組分的餾出量和釜液量：dD=45*(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm /1+(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm=0.327wD= 45-0.327=44.673由于與初定值偏差較大，故直接迭代重做物料衡算：組分進(jìn)料，fi餾出液，di釜液，wi A10 10 B 35 35-0.006W0.006W C 10 0.149.86D 45 0.327 44673二次解得：D=45.674，W=54.326則 dB=34.674 ，wB=0.326 dC=0.14，dC=9.86Nm=lg(34.674/0.326)/(0.14/9.86)/lg(2.0/1.0)=12.9由Nm值求出D組分的餾出量和釜液量：dD=45*(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm /1+(0.14/9.86)*(0.95/1.0) Nm=0.327wD= 45-0.327=44.673最終塔頂塔釜的量為：D=45.674，W=54.326組分進(jìn)料，fi餾出液，di塔頂組成釜液，wi塔釜組成 A10 100.2189 B 35 35-0.006W0.75920.006W0.0060 C 10 0.140.00319.860.1815D 45 0.3270.007244.673 0.8223過程設(shè)計題 （50分，3選2，畫出工藝流程圖，標(biāo)注主要技術(shù)參數(shù)，寫出工作原理，一個實驗室可合作設(shè)計一個方案）1. 重慶渝港鈦白粉廠，在以硫酸法生產(chǎn)鈦白粉的過程中，產(chǎn)生大量的20%的廢酸，其中含有大量的Ca2+，F(xiàn)e2+, Mg2+, Ti2+等金屬離子。工藝中將廢酸濃縮至80%回用，但因為金屬離子在過程中的結(jié)晶析出，導(dǎo)致?lián)Q熱器壁的結(jié)垢甚至堵塞，請你設(shè)計一個方案解決此問題。答：膜分離技術(shù)處理含金屬離子硫酸液不僅節(jié)能、工藝簡單、不會產(chǎn)生二次污染,并能實現(xiàn)硫酸與金屬鹽類組分的分離,使金屬鹽類組分充分回收。在以硫酸法生產(chǎn)鈦白粉的過程中，大量的Ca2+，F(xiàn)e2+, Mg2+, Ti2+等金屬離子可用電滲析的方法除去，從而避免了金屬離子的結(jié)晶析出造成換熱器壁的結(jié)垢甚至堵塞。電滲析法回收酸的關(guān)鍵在于離子交換膜的選用,一般的陰離子交換膜,H+容易通過,電流效率比較低,因此應(yīng)采用難透過性陰離子膜,以提高電流效率;另外,從含有金屬離子的酸廢液中回收酸時,金屬離子也會透過陽離子交換膜,因此選用陽離子交換膜時可選用一價離子交換膜。首先將廢酸放入電滲析裝置，經(jīng)電滲析裝置可以把金屬離子溶液濾出，從而剩下的溶液為濃度較大的硫酸，硫酸在經(jīng)濃縮可以循環(huán)可用。 流程圖如下：電滲析原理：兩電極間交替放置陰陽離子膜，在二膜形成的隔室中充入含離子水溶液；接上電源后，溶液中帶正點荷離子在電場作用下，向陰極方向運動，易穿過陽膜，被陰膜擋住，帶負(fù)電荷離子反之。結(jié)果2、4隔室中離子濃度增加，3室離子濃度下降。2. 重慶紫光化工生產(chǎn)的亞氨基二乙酸的過程中，亞氨基二乙酸結(jié)晶母液中含有2-3%的亞氨基二乙酸和大量的NaCl，請設(shè)計過程回收氨基二乙酸，并去除廢水中的NaCl。（膜分離除外）。3. 四川天華在以乙炔法生產(chǎn)BDO的過程中，副產(chǎn)一定量含有甲醇、水、正丙醇、正丁醇的溶液，組成如下表。水與正丙醇、水與正丁醇分別能形成共沸溶液，請設(shè)計方案盡量回收甲醇和正丁醇。廢液組成組分分子量正常沸點，質(zhì)量含量，%摩爾含量，%甲醇32.04264.618.517.31正丙醇60.09797.21.10.55水18.015100.039.465.56正丁醇74.123117.741.016.58答：該副產(chǎn)物中甲醇的質(zhì)量分率為18.5%，查其物性參數(shù)可知，甲醇不與其他組分產(chǎn)生共沸，分離難度小，可考慮先分離回收甲醇，先將該廢液預(yù)熱進(jìn)入甲醇蒸餾塔（塔一），塔頂?shù)幂^純的甲醇溶液，塔底得正丁醇，正丙醇和水的混合液，并含有少量甲醇。由于正丁醇和水在溫度較低時為部分互溶體系，可先將該脫去甲醇的廢液分層，上層為正丁醇層，下層為水層，溫度越低分離程度越大，但要考慮液體在脫去甲醇后需要降溫，并且在