分离作业

高等分离工程期末考试试卷

1.简述分离过程的定义、分类及其在化工生产中的重要性

答：分离过程是指将两组分或多组分的混合物分离成为接近于纯的物质或者分离成为满足一定组成要求的物质的过程。分离过程按级数分为单级或多级，若按相态分贼为固-固，固-液，固-气，气-液，液-液，气-气;分离过程按有无物质传递现象可分为两大类：机械分离和传质分离。

化工分离过程是化学工程的一个重要分支，从原料的精制、中间产物的分离、产品的提纯和废水、废气的处理都有赖于化工分离技术。绝大多数反应过程的原料和反应所得到的产物都是混合物，需要利用体系中各组分物性的差别或分离剂使混合物各组分得到分离提纯。化工分离过程的应用遍及能源、资源、环保、生物、新材料等领域，无论是石油炼制、塑料化纤、湿法冶金、同位素分离，还是生物制品精制、纳米材料制备、烟道气脱硫和化肥生产等都离不开化工分离过程。它往往是获得合格产品、充分利用资源和控制环境污染的关键步骤。

1.可以用来实现混合物分离过程的混合物塔塔形有哪些？

答：混合物的一般特性包括物理性质，化学性质，生物性质。物理性质包括力学性质，热力学性质，电磁波性质，传递性质及其他性质，化学性质包括热力学性质和反应性质。理学性质有粘度，密度差，表面活力，颗粒破碎，摩擦因素。热力学性质有熔点，沸点，溶解度，蒸汽压等。电磁波性质有电荷，导电率，介质常数，迁移率；传递性质有扩散系数，分子运动速度。热力学性质：反应平衡常数，化学吸附平衡常数，离碎常数，电离电位。反应性质：反应速度常数;生物性质：生物学亲和力，生物学吸附常数，生物学反应速率常数。

2.简述过程系统节能（夹点技术）

答：夹点技术（Pinch technology）是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度曲线的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）的一种方法。

主要通过构造冷、热物流组合曲线，总组合曲线和平衡组合曲线来对工艺过程进行能量分析，制定节能设计和改造方案。

夹点：冷流组合曲线与热流组合曲线间传热动力△T达到最小值的点，它限制了进一步回收过程系统的能量，构成系统用能的“瓶颈”所在，若想进一步增大过程系统的能量回收，减少公用工程负荷，就要改善夹点，以“解瓶颈”。

3.简述引起分离过程不完全性原因。

答：1.缺乏基础物性数据，对于很多高温，高压。多组分和强非理想体系，不仅平衡数据和分子扩散系数难以准确计算，就连界面传力，粘度等物性数据也难以取得。对于诸如催化剂和反应萃取之乐的耦合分离技术，基础物性数据更为缺乏；2.分离设备的局限性。

4.简述多组分精馏过程中，温度，组成的变化规律

答：对多组分精馏，在接近塔顶和接近塔底处及进料点附近，温度变化最快，这是因为在这些区域中组分变化最快，而泡点和组成密切相关。

多组分精馏塔内组分的分布情况

组分邻近进料级上P几个级下P分几级邻近塔釜塔顶总趋势

迅速上升由塔釜向上轻组分有恒液0 0

轻关键组分汽相有波动气相最大而上升

重关键组分液相有波动出现最大值由塔顶向下重组分0 有恒液迅速增浓而向上

二．列举题

1.清列举出你熟悉的4中机械分离方法，并简述其分离原理，指出其分离的内因与外因。

答：1.离心分离：当转载高速旋转时，鼓内料液在离心力的作用下，透过率孔排出，而固体颗粒则被截留在滤布上，这样完成固体与液体的分离。

内外因：内因是各相得密度和颗粒不同；外因是离心力。

2.浮选：利用高压分散的为微气泡吸附悬浮颗粒，或为视密度小于液体介质的复合体而上浮

到悬浮液表面，实现多相分离的目的。

内外因：内因是固体或液体颗粒具有疏水性质；外因：静电斥力。

3.过滤：在推动力的作用下，迫许含有固体颗粒的流体通过多空介质，而固体颗粒则被截留

在介质上，从而达到流体与固体分离的目的。

内外因:内因是固体颗粒沉积;外因是推动力。

4.静电除尘：利用静电力将气体中粉尘分离。内外因：内因是荷电颗粒在电场中的定向移动；

外因：静电力。

2.列举出4中膜分离过程，并简述其分离原理及适用对象。

答：分离膜包括：反渗透膜(0. 0001～0. 005μm) ；纳滤膜(0. 001 ～0. 005μm) ；超滤膜(0. 001 ～0. 1μm)；微滤膜(0. 1～1μm) ；电渗析膜；渗透气化膜；液体膜；气体分离膜；电极膜等。他们对应不同的分离机理，不同的设备，有不同的应用对象。膜本身可以由聚合物，或无机材料，或液体制成，其结构可以是均质或非均质的，多孔或无孔的，固体的或液体的，荷电的或中性的。膜的厚度可以薄至100μm，厚至几毫米。不同的膜具有不同的微观结构和功能，需要用不同的方法制备。

3.列举出8种分离过程分离过程中的节能经验法则。

答：1.一般而言，分离同样量的物质机械分离过程需要的能量比船只过程的要小的多，所以如有可能，先用先用机械分离法做部分的分离或预分离。

2.优先选择分离因子等方案

3.优先使低浓度组分相变化，而不是高浓度组分相变化；

4.在能量分离过程中，应先采用相变潜热脚底的分离，因为所需能量与相变潜热扭成正比；

5.速率控制过程按beneduct的分类法属于不可逆过程，因此应优先考虑平衡过程，其次考虑速率控制过程；

6.适当的采用多级或组分分离，不仅可以提高产品纯度，而且可以降低分离的能耗；

7.加热或冷却时，温度不要太高或太低，如有可用热源或可冷源，则应竟可能的用现有的温差；

8.如分离设备中的压力降在其能耗中占重要地位，则应降低其压力降。

三．比较题

1.共沸精馏与萃取精馏

答：在被分离的物系中加入共沸剂（或者称共沸组分），该共沸剂必须能和物系中一个或几个组分形成具有最低沸点的恒沸物，以至于使需要分离的集中物质间的沸点差（或相对挥发度）增大。在精馏时，共沸组分能以恒沸物的形式从精馏塔顶蒸出，工业上把这种操作称为恒沸精馏。

下面以制取无水酒精为例，说明恒沸精馏的过程，水和酒精能形成具有恒沸点的混合物，所以用普通的精馏方法不能获得纯度超过96%（体积）的乙醇，若在酒精和水的溶液中加入共沸组分-苯，则可构成各种恒沸混合物，但以酒精、苯和水所组成的三组分恒沸混合物的沸点为最低（64.84℃）。当精馏温度在64.85℃时，酒精、苯和水的三元混合物首先被蒸出；温度升至68.25℃时，蒸出的是酒精与苯的二元恒沸混合物；随着温度继续上升，苯与水的二元恒沸混合物和酒精与水的二元恒沸混合物也先后蒸出，这些恒沸物把水从塔顶带出，在塔釜可以获得无水酒精。工业上广泛地用于生产无水酒精的方法，就是根据此原理。

恒沸精馏的过程中，所加入的共沸组分必须从塔顶蒸出，而后冷凝分离，循环使用。因而恒沸精馏消耗的能量（包括汽化共沸剂的热量和输送物料的电能）较多。

在被分离的混合物中加入萃取剂，萃取剂的存在能使被分离混合物的组分间的相对挥发度增大。精馏时，其在各板上基本保持恒定的浓度，而且从精馏塔的塔釜排出，这样的操作称为萃取精馏。

例如，从烃类裂解气的碳四馏分费力丁二烯时，由于碳四馏分的各组分间沸点相近及相对挥发度相近的特点，而且丁二烯与正丁烷还能形成共沸物，采用普通的精馏方法是难以将丁二烯与其它组分加以分离的。如果采用萃取精馏的方法，在碳四馏分中加入乙腈做萃取剂，则可增大组分间的相对挥发度，使得用精馏的方法能将沸点相近的丁二烯、丁烷和丁烯分离。碳四馏分经过脱碳三、和碳五馏分后，进入丁二烯萃取剂精馏塔，在萃取剂乙腈的存在下，使丁二烯（包括少量的炔烯）、乙腈与其它组分分开，从塔釜采出并进入解析塔，在此塔中，丁二烯、炔烯从乙腈中解析出来，萃取剂循环使用。丁二烯、炔烯进入炔烯萃取精馏塔，丁二烯从塔顶逸出，经水洗，得到成品丁二烯。

区别：（1）萃取精馏的萃取剂，不必要与分离系统中的某组分形成共沸物，而要求它的蒸气压远小于分离混合物的蒸气压，因此萃取剂的选用范围比较大。

（2）萃取精馏的操作条件与恒沸精馏相比，可以在较大的范围内变动。

（3）萃取精馏因萃取剂不从塔顶蒸出，因此，蒸气的消耗比恒沸精馏为少。

（4）萃取精馏适用于从塔顶蒸出较多的产品和从塔釜排出较少的产品的情况；而恒沸精馏适用于从塔顶蒸出较少的产品和从塔釜排出较多的产品的情况。因为在上述情况下萃取组分或共沸组分的加入量相对的较少，能量消耗也随之较少。

2.离心沉降与旋流分离

答：在离心力作用下使分散在悬浮液中的固相粒子或乳浊液中的液相粒子沉降的过程。沉降速度与粒子的密度、颗粒直径以及液体的密度和黏度有关，并随离心力亦即离心加速度的增大而加快。离心加速度值an=ω2r可随回转角速度ω和回转半径r的增大而迅速增加。因此，离心沉降操作适用于两相密度差小和粒子速度小的悬浮液或乳浊液的分离。

离心沉降它是利用混合油各组分的质量不同，采用离心旋转产生离心力大小的差别，使粕末下沉而液体上升，达到清洁混合油的目的的方法。

二者都是利用离心沉降的工作原理，所不同的是产物聊高速旋转的方法，离心机内的物料由转鼓得告诉旋转而带动的，而旋流边内的物料是由切线方向进料引起的

3.凝聚和絮凝

四．综合论述题

1.谈谈你对分离过程的认识

答：分离工程是研究化工及其它相关过程中物质的分离和纯化方法的一门技术科学。许多天然物质都以混合物的形式存在，要从其中获得具有使用价值的一种或几种产品，必须对混合物进行分离；在许多加工工业中，例如化工、石油化工、炼油、医药、食品、材料、冶金、生化等，必须对中间体和产物进行分离和提纯，才能使加工过程进行下去，并得到符合使用要求的产品。分离过程还是环保工程中用于污染物脱除的一个重要环节。

分离工程的研究对象是化工及其相关过程中基本的分离单元操作过程。在相当多的生产过程中，它对生产的成本和产品的质量起到了关键甚至决定性的作用。在石油、化工等企业中，分离过程的投资和操作费用占有很高的比例。据统计，在典型的化工企业中，分离过程的投资一般要占总投资的三分之一左右。聚乙烯生产中，乙烯的分离提纯部分的设备投资和操作费用均占总费用的一半左右。而在炼油行业及某些生化产品的生产过程中，分离过程所占的投资要高达70%以上。而一些基因工程产品的生产过程中，分离提纯的成本甚至高达其总生产成本的90%。

分离工程是化学工程学科的重要组成部分。在上世纪初化学工程初步形成独立的工程学科领域时，主要研究对象是各类单元操作，其中绝大部分是分离单元操作。通过对蒸馏、吸收、萃取、结晶、固液分离等基础分离单元操作的实践总结和理论研究，通过对传质操作过程开发、传递过程和相际传质理论的研究，极大地丰富了化学工程学科的理论基础体系。为石化工业、无机和有机化学工业、石油加工、资源和能源工业、材料工业、聚合物加工、生化工业、制药工业、环境保护、核工业等许多国民经济重要工业领域的成长和技术进步做出了极其重要的贡献。

现代科学技术的发展，尤其是以新能源、新材料、电子和信息技术、现代生物技术、环境保护技术、可再生资源利用技术等为代表的高新科技的兴起和发展向分离技术提出了新的艰巨挑战。这使得分离工程成为近半世纪来发展最为迅速的化学工程技术领域之一。各种膜技术、超临界流体技术、现代吸附和工业色谱技术、反应－分离耦合技术等应运而生并相继获得应用。分离工程已成为化学工程的前沿研究方向之一。

2.如何进行分离过程的选择与设计？

答:研究和开发新的分离方法和传质设备，优化系统传质分离设备的设计和操作，不同分离方法的集成化，化学反应和分离过程的有机耦合都是值得重视的发展方向。在进行分离方法

选择时，应认真考虑被分离物系的相态和特性，对分离产品的质量要求，经济程度，当地环境条件和环境保护等因素尤其要注意一些可变的因素，因地制宜，取得最大的经济和社会效益。

首先要确定分离的目的，并将各物性参数列出物性参数列出。然后分析分离所需要的能量，最好能够利用自然的能量；接着要评估规模的程度，如果要求产品具有超高纯度，则可考虑反应分离，但反应分离的特异性说明它不可能适和所有的情况，因此若反应不适应，只好依赖于多级分离，如果对产品纯度的要求不很高时，则应先对处理量的大小进行分析，倘若规模较小就可采取可自动化操作并且竟可能简单的分离方法。一般用电能作为分离所需的能量。

当规模较大时，首先要考虑能否利用热能，可以利用热能且相对挥发度大于1.05，则选择蒸馏法。若相对挥发度小于1.05，则采用萃取及其它分离法与蒸馏法相互组合而构成的分离过程。在热能无法利用时就只能选好好速度差分离法。

3.查阅相关资料及网上信息，阐述新型分离技术的发展趋势。

答：1 膜分离技术的现状和发展

膜分离技术是人们所掌握的最节能的物质分离和浓缩技术之一。近二十年来发展极其迅速，已从单纯的海水与苦咸水脱盐、纯水及纯水的制备、工业用水回收，逐步拓展到环保、化工、医药、食品、航天等领域中，以每年大于10%的速度递增，发展前景备受关注。

2 新型分离技术开拓与发展的必要性

新型分离技术是应科技发展与探索、资源利用与清洁生产、生态环境保护等的需求而产生的。这些需求不但促使了一些常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等的不断改进和发展，更使一些特色鲜明的新型分离技术，如膜分离、泡沫分离、超临界流体萃取、印迹分离，以及集成技术等得到重视和开发。

3 反渗透、纳滤、超滤与微滤

微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)与反渗滤(RO)都是以压力为差(跨膜压差)为推动力的膜分离技术，当膜两侧施加一定压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能。

3.1 反渗透

反渗透是六十年代发展起来的一项高新膜分离技术。它的孔径很小，能去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒等。广泛用于海水和苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用纯水等方面。它具有脱盐率高、水利用率高、自动化程度高、能耗低等优点。反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差的推动力下，使溶剂渗透通过半透膜，达到溶液脱盐的目的。

3.1.1反渗透基本机理

1960年，Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上，提出了优先吸附-毛细孔流动机理，奠定了反渗透膜的研制和过程开发的基础，而后又按此机理发展为定量表达式，即表面力-孔流动模型。表面力-孔流动模型机理适用于溶剂在膜上优先吸附，也适用于溶质在膜上优先吸附，是溶剂还是溶质优先吸附取决于溶剂、溶质、膜材料和膜的物化性质及其相互作用机理。反渗透亦称渗逆透(RO)，是用足够大的压力把溶液中的溶剂(通常指水)通过反渗透膜(半透膜)分离出来，因和自然渗透方向相反，故称反渗透。根据各种物料的不同逆透压，就可以用大于渗透压的反渗透法达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。

3.2 纳滤

随着新的制膜方法的出现和制膜工艺的不断改进，一个膜家族中的新成员纳滤膜(Nanofiltration membrane, NF)得以问世。因其透过物大小在1～10nm，科

学家们推测纳滤膜表面分离层可能拥有纳米级(10nm以下)的微孔结构，故习惯上称之为“纳滤膜”又叫“纳米膜”、“纳米管”。

作为一种新型分离技术，纳滤膜在其分离应用中表现出下列三个显著特征：一是其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为200-2000；二是纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层是由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。三是超低压大通量，即在超低压下(0.1Mpa)仍能工作，并有较大的通量。

纳滤膜分离过程无任何化学反应，无需加热，无相转变，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被越来越广泛地应用于饮用水的制备和食品、医药、生物工程、污染治理等行业中的各种分离和浓缩提纯过程。

3.2.1 纳滤的主要特点

作为一种新型分离技术，纳滤膜在其分离应用中表现出下列两个显著特征：一个是其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为200-2000；另一个是纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。

从结构上来看纳滤膜大都是复合型膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。根据其第一个特征推测纳滤膜的表面分离层可能拥有1nm左右的微孔结构，故被称之为“纳滤”。

纳滤膜对小分子量有机物和盐类的分离有很好的效果。其分离过程无任何化学反应，无需加热，无相变化，不影响分离物质的生物活性、风味和香气等，并具有节能、无公害特点

用纳滤膜与生化反应器耦合在一起，开发的膜生化反应器，可以用膜分离产物，底物和酶则被截留，通过不断添加底物，即可以达到反复利用酶并得到高产率生化产品的目的。

3.3 超滤

超滤是通过膜的筛分作用将溶液中大于膜孔德大分子溶质截留，使一些溶质与溶剂及小分子分离的膜过程。一般认为膜的物化性能对分离性能影响不大。

3.3.1超滤原理及其特点

1-超滤进口溶液；2-超滤滤过膜的溶液；3-超滤滤膜；4-超滤出口溶液；

5-透过超滤膜的物质；6-被超滤滤过膜截留下的物质

超滤有如下特点：

1、超滤与传统的预处理工艺相比，系统简单、操作方便、占地小、投资省、且水质极优，可满足各类反渗透装置的进水要求。

2、合理地选择运行条件和清洗工艺，可完全控制超滤的浓差极化问题，使此预处理方法更可靠。

3.4 微滤

微滤是利用微孔膜孔径的大小，在压差为推动力下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。

微滤所用的膜为微孔膜，平均孔径0.02-10μm，能够截留直径0.05-10μm的微粒或分子量大100万的高分子物质，操作压差一般为0.01～0.2MPa。原料液在压差作用下，其中水(溶剂)透过膜上的微孔流到膜的低压侧，为透过液，大于膜孔的微粒被截留，从而实现原料液中的微粒与溶剂的分离。微滤过程对微粒的截留机理是筛分作用，决定膜的分离效果是膜的物理结构，孔的形状和大小。

3.4.1 微滤的应用

微滤主要用于除去溶液中大于0.05μm左右的超细粒子，其应用十分广泛，在目前膜过程面业销售额中占首位。

在水的精制过程中，微滤技术可以除去细菌和固体杂质，可用于医药、饮料用水的生产。在电子工业超纯水制备中，微滤可用于超滤和反渗透过程的预处理和产品的终端保安过滤。

微滤技术亦可用于啤酒、黄酒等各种酒类的过滤，以除去其中的酵母、霉菌和其它微生物，使产品澄清，并延长存放期。

微滤技术在药物除菌、生物检测等领域也有广泛的应用。

4 其它膜分离技术

膜分离按推动力分可以分压力差、浓度差、电位差等，上文已经简单讨论了以压力差为推动力的分离方法。这里再简要说明一下几种以浓度差为推动力的分离方法：渗透汽化与蒸汽渗透(vapor permeation)均是利用待分离混合物中某组分有优先选择性透过膜的特点，使料液侧优先渗透组分溶解-渗透扩散-汽化通过膜，从而达到混合物分离的一种新型分离技术。渗透汽化主要用于有机物脱水、水中有机物脱除、有机混合物分离等方面的应用，被认为是最有希望取代高能耗精馏技术的膜过程，其中有机溶剂脱水及水中有机物脱除已有工业装置。蒸汽渗透适用于空气中有机物容剂的回收，随着环保意识的增强，蒸汽渗透将会获得较大的推广应用。

另外还有正在开发研制中的新型膜技术，一类是目前称之为膜接触器，如膜基吸收等，另一类是膜分离为关键技术的集成分离过程，如膜与吸附等等。

5 膜分离技术的优势

膜分离技术在各个领域中的应用优势各不相同，而从膜分离技术本身出发来看，其与常规的离心、沉降、过滤、萃取等传统技术相比，技术优势主要表现为：(1) 分离过程无相变,高效节能环保；

(2) 分离设备简便易操作；(3)周期短、安全性高。

6展望

膜分离技术作为现代分离技术发展的产物，有其特殊的地位和必然性。随着科学技术的发展，人们模仿生物质膜的某些功能，研制出各种功能的合成膜，应用于日常生活与工业生产过程中。可以认为，膜产业将成为21世纪初发展最快的高新技术产业之一。

特别是石油化工领域涉及到石油加工、石油化工产品及化肥生产等。膜分离技术已成为国内外竞相开发的热点技术之一。就我国目前膜技术在石油化工领域的应用而言，在膜材料的开发、非对称膜和复合膜的制备、工业用膜分离器的研制及膜分离过程的应用开发方面都己达到一定水平。但尚存在以下问题有待解决：

1) 进一步研制开发高性能的膜材料和膜；

2) 对膜组件、装t及过程优化问题的研究；

3) 将膜分离和其他分离技术进行优化组合