2024年9月制药分离工程习题(附答案)

2024年9月制药分离工程习题(附答案)一、选择题1.以下哪种分离方法基于溶质在两相中的溶解度差异进行分离？A.蒸馏B.萃取C.过滤D.离心分离答案：B。萃取是利用溶质在互不相溶的两相中溶解度的不同，使溶质从一相转移到另一相的分离过程。蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的差异进行分离；过滤是根据物质颗粒大小不同进行分离；离心分离是利用离心力使不同密度的物质分离。2.在液液萃取中，分配系数K是指（）A.溶质在萃取相中的浓度与在萃余相中的浓度之比B.溶质在萃余相中的浓度与在萃取相中的浓度之比C.萃取剂与原料液的体积比D.原料液与萃取剂的体积比答案：A。分配系数K定义为溶质在萃取相中的平衡浓度与在萃余相中的平衡浓度之比。3.以下关于精馏塔的说法，错误的是（）A.精馏塔可以实现混合物的高纯度分离B.精馏塔内气液两相呈逆流接触C.精馏塔的塔板数越多，分离效果一定越好D.精馏塔的操作需要消耗大量的能量答案：C。虽然一般情况下增加塔板数有利于提高分离效果，但当塔板数增加到一定程度后，分离效果的提升会变得不明显，同时还会增加设备投资和操作成本。精馏塔能实现高纯度分离，塔内气液两相逆流接触以实现传质传热，且精馏过程需要加热和冷却，消耗大量能量。4.膜分离过程中，超滤的截留分子量范围一般为（）A.1001000B.1000100000C.1000001000000D.＞1000000答案：B。超滤主要截留分子量在1000100000之间的大分子物质，截留分子量小于1000的一般是微滤，截留分子量大的如100000以上的有纳滤等。5.离子交换树脂的交换容量是指（）A.单位质量或体积的离子交换树脂所能交换的离子的物质的量B.离子交换树脂的质量C.离子交换树脂的体积D.离子交换树脂所能吸附的最大离子量答案：A。交换容量是衡量离子交换树脂性能的重要指标，指单位质量（干树脂）或单位体积（湿树脂）的离子交换树脂所能交换的离子的物质的量。二、填空题1.常用的吸附剂有______、______、______等。答案：活性炭、硅胶、氧化铝。这些都是常见的吸附剂，活性炭具有较大的比表面积，对多种物质有良好的吸附性能；硅胶常用于吸附水分等；氧化铝可用于吸附一些有机化合物等。2.蒸馏操作根据操作方式可分为______和______。答案：简单蒸馏、精馏。简单蒸馏是一种较为简单的蒸馏方式，分离程度相对较低；精馏则通过多次部分汽化和部分冷凝，能实现混合物的高纯度分离。3.液液萃取中，选择萃取剂时应考虑的因素有______、______、______等。答案：选择性、溶解度、物理性质（如密度、沸点等）。选择性好的萃取剂能更有效地分离目标溶质；萃取剂对溶质要有一定的溶解度；物理性质合适有利于萃取过程的操作和后续分离。4.膜分离过程的推动力可以是______、______、______等。答案：压力差、浓度差、电位差。不同的膜分离过程利用不同的推动力，如超滤、反渗透等常利用压力差；透析利用浓度差；电渗析利用电位差。5.离子交换过程一般包括______、______、______和______四个步骤。答案：交换、洗涤、再生、转型。交换是目标离子与树脂上的可交换离子进行交换；洗涤是去除残留的溶液；再生是使树脂恢复交换能力；转型是将树脂转变为所需的离子型态。三、简答题1.简述萃取过程的基本原理。答案：萃取过程的基本原理是利用溶质在互不相溶的两相（通常为有机相和水相）中溶解度的差异。当含有目标溶质的原料液与萃取剂充分混合接触时，溶质会从原料液向萃取剂中扩散，因为溶质在萃取剂中的溶解度大于在原料液中的溶解度。经过一段时间的传质，溶质在两相中达到平衡，从而实现溶质从原料液向萃取剂相的转移。然后通过分层等操作将两相分离，得到含有溶质的萃取相和萃余相，进而可对萃取相进行进一步处理以获得目标溶质。2.说明精馏塔中理论板的概念。答案：理论板是一个理想化的概念。在精馏塔中，理论板是指气液两相在该板上充分接触，传质和传热过程进行得十分完善，使得离开该板的气液两相达到平衡状态的塔板。也就是说，在理论板上，气液两相的组成满足相平衡关系。实际的塔板由于传质效率等因素，很难达到理论板的效果，但理论板的概念有助于对精馏过程进行分析和计算，通过计算所需的理论板数，并结合塔板效率，可确定实际需要的塔板数。3.比较吸附和离子交换的异同点。答案：相同点：两者都是分离过程，都可用于从混合物中分离和富集目标物质。都涉及到物质在固体表面或固体内部的作用，都有吸附和解吸的过程。不同点：作用原理：吸附主要是基于分子间的物理作用力（如范德华力、氢键等）或化学作用力（如化学键）使物质吸附在吸附剂表面；离子交换是基于离子之间的静电作用力，通过离子的交换来实现分离。选择性：离子交换的选择性更强，主要针对离子进行交换，对离子的种类和价态有较高的选择性；吸附的选择性相对较广，可对不同类型的物质进行吸附。再生方式：吸附剂的再生通常可通过加热、减压等物理方法去除吸附的物质；离子交换树脂的再生一般需要用特定的再生剂进行离子交换，使树脂恢复交换能力。4.简述膜分离的特点。答案：无相变：膜分离过程一般不发生相变，与传统的分离方法如蒸馏等相比，可节省大量的能量。常温操作：多数膜分离过程可在常温下进行，适合处理热敏性物质，能避免物质因高温而发生变性、分解等。分离效率高：可以根据膜的孔径、截留分子量等特性，对不同大小、形状、性质的物质进行有效分离，分离精度较高。连续操作：可以实现连续进料和出料，便于工业化生产和自动化控制。设备简单：膜分离设备相对简单，占地面积小，操作维护方便。环保：不使用或很少使用化学试剂，减少了对环境的污染。四、计算题1.在某液液萃取过程中，原料液中溶质A的含量为20%（质量分数），原料液流量为1000kg/h，萃取剂流量为800kg/h。已知分配系数K=2，试求萃取相和萃余相中溶质A的含量（假设萃取剂中不含溶质A，且萃取过程达到平衡）。解：设原料液为F，萃取剂为S，萃取相为E，萃余相为R。F=1000kg/h，其中溶质A的质量mF=1000×0.2=200kg，溶剂质量为1000200=800kg。S=800kg/h。设萃余相中溶质A的质量为xkg，则萃取相中溶质A的质量为(200x)kg。根据分配系数K=yE/xR（yE为萃取相中溶质A的质量分数，xR为萃余相中溶质A的质量分数），且达到平衡时，设萃余相质量为Rkg，萃取相质量为Ekg，E=800+(200x)，R=800+x。yE=(200x)/[800+(200x)]，xR=x/(800+x)。因为K=2，所以2=[(200x)/[800+(200x)]]/[x/(800+x)]。2×x×[800+(200x)]=(200x)×(800+x)。2x(1000x)=(200x)(800+x)。2000x2x²=160000+200x800xx²。2x²+x²+2000x200x+800x160000=0。x²+2600x160000=0。由一元二次方程ax²+bx+c=0（a=1，b=2600，c=160000）的求根公式x=[b±√(b²4ac)]/(2a)。x=[2600±√(2600²4×(1)×(160000))]/(2)。x=[2600±√(6760000640000)]/(2)。x=[2600±√6120000]/(2)。x=[2600±2473.86]/(2)。取合理值x≈63.07kg。萃余相中溶质A的含量=63.07/(800+63.07)×100%≈7.31%。萃取相中溶质A的含量=(20063.07)/[800+(20063.07)]×100%=(136.93)/(936.93)×100%≈14.61%。2.某精馏塔分离苯甲苯混合物，进料中苯的摩尔分数为0.4，进料量为100kmol/h，要求塔顶产品中苯的摩尔分数为0.9，塔底产品中苯的摩尔分数为0.1。试求塔顶和塔底产品的流量。解：设塔顶产品流量为Dkmol/h，塔底产品流量为Wkmol/h。根据物料衡算：总物料衡算：F=D+W，即100=D+W。苯的物料衡算：F×xF=D×xD+W×xW，其中xF=0.4，xD=0.9，xW=0.1。所以100×0.4=D×0.9+W×0.1。将W=100D代入