(2025年)分离工程考试模拟题(带答案)

(2025年)分离工程考试模拟题(带答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某二元物系在常压下的气液平衡符合拉乌尔定律，已知纯组分A的饱和蒸汽压pₐ°=120kPa，纯组分B的饱和蒸汽压pᵦ°=60kPa，当液相中A的摩尔分数xₐ=0.4时，气相中A的摩尔分数yₐ为（）。A.0.571B.0.625C.0.720D.0.8002.采用连续精馏分离苯-甲苯混合液（相对挥发度α=2.5），进料为泡点液体，进料量F=100kmol/h，xբ=0.4（摩尔分数，下同），要求塔顶xD=0.95，塔底xW=0.05，全塔平均板效率E=0.6。若实际塔板数为25块（包括塔釜），则理论塔板数（不包括塔釜）为（）。A.12B.15C.18D.203.对于逆流吸收塔，若入塔气体中溶质的摩尔比Y₁=0.05，液气比L/V=2，相平衡关系为Y=1.5X（X为液相摩尔比），则溶质的最大吸收率（）。A.80%B.85.7%C.90%D.95%4.萃取过程中，选择萃取剂的关键因素是（）。A.萃取剂与原溶剂的互溶性B.萃取剂的密度C.萃取剂的沸点D.萃取剂的颜色5.某膜分离过程中，原料侧压力为5MPa，渗透侧压力为0.1MPa，膜对组分A的截留率为90%，则组分A在渗透侧的浓度与原料侧浓度之比为（）。A.0.1B.0.09C.0.05D.0.016.吸附过程中，若吸附等温线符合Langmuir模型，当吸附质分压p趋近于0时，吸附量q与p的关系为（）。A.q∝p²B.q∝pC.q∝√pD.q与p无关7.结晶过程中，若溶液的过饱和度S=1.2（S=c/c，c为实际浓度，c为饱和浓度），则结晶的推动力为（）。A.cB.c-cC.ln(S)D.S-18.恒沸精馏与萃取精馏的主要区别在于（）。A.前者加入的物质与原组分形成恒沸物，后者不形成B.前者操作压力可变，后者不可变C.前者用于液液分离，后者用于气液分离D.前者能耗更低9.对于板式塔的液泛现象，下列说法错误的是（）。A.液泛时塔板压降急剧增大B.液泛时气相流量超过上限C.液泛时液相流量过小D.液泛会导致分离效率下降10.超临界萃取中，超临界流体的选择通常考虑（）。A.临界温度接近室温B.临界压力极高C.密度远低于液体D.对溶质的溶解度极低二、填空题（每空1分，共10分）1.精馏操作中，回流比增大时，理论塔板数（）（填“增加”“减少”或“不变”）。2.亨利定律的表达式为p=Ex，其中E称为（）。3.萃取三角形相图中，两相区与单相区的分界线称为（）。4.膜分离过程的驱动力可以是压力差、浓度差或（）。5.吸附剂的再生方法包括升温再生、降压再生和（）。6.结晶过程中，晶核形成的两种方式是（）和非均相成核。7.板式塔中，液体从上层塔板流到下层塔板的通道称为（）。8.对于多组分精馏，关键组分是指（）的两个组分。9.吸收过程中，若溶质在液相中的溶解度很大，则过程为（）控制。10.超临界CO₂萃取的优点是（）（任写一条）。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述精馏塔中进料热状态对操作线的影响。2.比较液液萃取与固液萃取的异同点。3.解释膜污染的主要原因及减轻膜污染的措施。4.说明吸附等温线在吸附过程设计中的作用。5.分析结晶过程中过饱和度对晶体粒度的影响。四、计算题（每题12分，共48分）1.某连续精馏塔分离甲醇-水混合液，进料量F=200kmol/h，xբ=0.3（甲醇摩尔分数，下同），进料为饱和液体（q=1），塔顶馏出液x₀=0.95，塔底xW=0.03，甲醇回收率η=98%。试求：（1）塔顶馏出液量D和塔底残液量W；（2）精馏段操作线方程。2.用纯溶剂吸收某混合气体中的溶质A，入塔气体流量V=100kmol/h（惰性气体），Y₁=0.04（摩尔比），要求吸收率φ=90%，相平衡关系为Y=2X（X为液相摩尔比），操作液气比L/V=1.5倍最小液气比。试求：（1）最小液气比（L/V）min；（2）出塔液体中溶质的摩尔比X₁。3.在25℃下，用纯萃取剂S萃取A-B混合液中的A组分，原料液中A的质量分数为40%，B为60%，萃取剂与原料液的质量比为1:1。已知该体系的溶解度曲线和辅助线如图（假设图中数据：原料液点F，萃取相点E，raffinate相点R，E中A的质量分数为35%，S的质量分数为50%；R中A的质量分数为10%，S的质量分数为5%）。试求：（1）萃取相E和萃余相R的质量比；（2）A的萃取率。4.某吸附过程中，吸附剂对溶质的吸附符合Langmuir等温方程q=qₘp/(K+p)，其中qₘ=100mg/g（饱和吸附量），K=0.5kPa（常数）。当溶质分压p=2kPa时，试计算：（1）平衡吸附量q；（2）若吸附剂用量为10g，处理体积为1m³的气体（p=2kPa，总压101.3kPa，气体密度1.2kg/m³），求溶质的吸附量（假设气体中溶质的摩尔分数为0.01）。五、综合分析题（22分）某生物发酵液中含有乙醇（5wt%）、水（90wt%）、少量蛋白质（3wt%）和无机盐（2wt%），要求分离得到纯度≥99.5wt%的无水乙醇。请设计分离流程，说明各单元操作的作用及关键参数选择依据（可结合相图、操作条件等分析）。参考答案一、单项选择题1.A（yₐ=pₐ°xₐ/(pₐ°xₐ+pᵦ°(1-xₐ))=120×0.4/(120×0.4+60×0.6)=48/84=0.571）2.B（总物料衡算：F=D+W；甲醇衡算：F×0.4=D×0.95+W×0.05；解得D=40kmol/h，W=60kmol/h。最小回流比Rmin=(xD-xq)/(xq-xW)（泡点进料xq=xF=0.4），代入得Rmin=(0.95-0.4)/(0.4-0.05)=1.57；实际回流比R=1.2Rmin≈1.88；理论塔板数N由芬斯克方程或图解法计算，结合板效率E=0.6，实际板数25块（含塔釜），则理论板数≈15）3.B（最大吸收率对应液气比最小，即L/V=(Y₁-Y₂)/(X₁-X₂)，X₂=0，Y₂=Y₁(1-φ)，相平衡时X₁=Y₁/(1.5)，则φmax=1-Y₂/Y₁=1-(L/V×X₂+Y₂)/Y₁=1-(0)/Y₁=(Y₁-Y₂)/Y₁=(L/V×X₁)/Y₁=(2×(Y₁/1.5))/Y₁=2/1.5≈1.33（矛盾，正确解法：最大吸收率对应L/V=(Y₁-Y₂)/(X₁-X₂)，X₂=0，Y₂=Y₁(1-φ)，X₁=Y₁/(1.5)，则L/V=(Y₁-Y₂)/X₁=(Y₁-Y₁(1-φ))/(Y₁/1.5)=φ×1.5；已知L/V=2，故φ=2/1.5≈0.857，即85.7%）4.A（萃取剂需与原溶剂部分互溶，形成两相）5.A（截留率R=(cF-cP)/cF=0.9，故cP/cF=0.1）6.B（Langmuir方程q=qₘp/(K+p)，p→0时，q≈qₘp/K∝p）7.B（结晶推动力为过饱和度，即c-c）8.A（恒沸剂与原组分形成恒沸物，萃取剂不形成）9.C（液泛因气液流量过大）10.A（CO₂临界温度31.1℃，接近室温）二、填空题1.减少2.亨利系数3.溶解度曲线4.电位差（或电场）5.置换再生（或化学再生）6.均相成核7.降液管8.分离要求中规定9.气相10.无毒（或易回收）三、简答题1.进料热状态影响q值，q=1（泡点液体）时，q线垂直；q>1（冷液）时，q线斜率>0；q=0（饱和蒸汽）时，q线水平；q<0（过热蒸汽）时，q线斜率<0。q值改变会使精馏段与提馏段操作线交点位置变化，从而影响理论塔板数：冷液进料时，交点上移，提馏段操作线靠近平衡线，所需塔板数增加；过热蒸汽进料则相反。2.相同点：均利用溶质在两相中的溶解度差异实现分离；需选择合适的溶剂；涉及传质过程。不同点：液液萃取为液-液两相，固液萃取为液-固两相；固液萃取需考虑固体颗粒的孔隙结构和扩散阻力；液液萃取设备多为混合澄清器或萃取塔，固液萃取常用浸取器或渗漉器；固液萃取可能需要预处理（如粉碎）以提高传质效率。3.膜污染原因：溶质在膜表面沉积（浓差极化）、膜孔堵塞（颗粒或大分子吸附）、膜材料与溶质的相互作用（如蛋白质变性吸附）。减轻措施：预处理原料（过滤、调节pH）；优化操作条件（提高流速、降低压力）；选择抗污染膜材料（如亲水性膜）；定期清洗（物理反冲、化学试剂清洗）。4.吸附等温线描述一定温度下吸附量与吸附质浓度的平衡关系，作用包括：（1）选择吸附剂（比较不同吸附剂的等温线斜率）；（2）确定吸附容量（qₘ）；（3）计算吸附过程的物料衡算（如确定吸附剂用量）；（4）分析吸附机理（判断是单分子层还是多分子层吸附）；（5）优化操作条件（如确定最佳吸附浓度范围）。5.过饱和度S较低时，晶核提供速率小于晶体生长速率，晶体粒度较大；S过高时，晶核提供速率显著增加，晶体数量多但粒度小；S适中时，晶核提供与生长速率平衡，可得到均匀的大颗粒晶体。此外，过高的S可能导致晶体缺陷（如杂质包裹），影响产品质量；过低的S则可能导致结晶无法进行或收率低。四、计算题1.（1）甲醇回收率η=D×x₀/(F×xբ)=0.98，代入数据得D=(0.98×200×0.3)/0.95≈61.26kmol/h；W=F-D=200-61.26=138.74kmol/h。（2）精馏段操作线方程：y=(R/(R+1))x+x₀/(R+1)。由全塔物料衡算验证：F×xբ=D×x₀+W×xW→200×0.3=61.26×0.95+138.74×0.03→60≈58.2+4.16≈62.36（误差因η=98%，正确计算应为D×0.95=0.98×200×0.3=58.8→D=58.8/0.95≈61.89kmol/h，W=200-61.89=138.11kmol/h）。精馏段操作线需先求R，假设泡点回流，q=1，q线方程x=xբ=0.3。相平衡方程y=αx/(1+(α-1)x)（甲醇-水α≈4.8），则yq=4.8×0.3/(1+3.8×0.3)=1.44/2.14≈0.673。Rmin=(x₀-yq)/(yq-xբ)=(0.95-0.673)/(0.673-0.3)=0.277/0.373≈0.743，取R=1.5Rmin≈1.115，则操作线方程y=(1.115/2.115)x+0.95/2.115≈0.527x+0.45。2.（1）最小液气比(L/V)min=(Y₁-Y₂)/(X₁-X₂)，Y₂=Y₁(1-φ)=0.04×0.1=0.004，X₁=Y₁/2=0.04/2=0.02，X₂=0，故(L/V)min=(0.04-0.004)/(0.02-0)=0.036/0.02=1.8。（2）实际L/V=1.5×1.8=2.7，由物料衡算V(Y₁-Y₂)=L(X₁-X₂)→X₁=(V/L)(Y₁-Y₂)+X₂=(1/2.7)(0.04-0.004)=0.036/2.7≈0.0133。3.（1）设原料液质量为100kg（A=40kg，B=60kg），萃取剂S=100kg，总质量M=F+S=200kg。根据杠杆原理，E/R=(M-R)/R=(F+S-R)/R，而M中A的总质量=40kg，E中A=0.35E，R中A=0.1R，故0.35E+0.1R=40；S的总质量=100kg，E中S=0.5E，R中S=0.05R，故0.5E+0.05R=100。联立解得E=180kg，R=20kg，E/R=9:1。（2）萃取率=（E中A质量）/（原料中A质量）×100%=(0.35×180)/40×100%=63/40=157.5%（矛盾，实际应为原料中A=40kg，E中A=0.35E，R中A=0.1R，E+R=200kg，故0.35E+0.1(200-E)=40→0.25E=20→E=80kg，R=120kg；S的质量：0.5×80+0.05×120=40+6=46kg≠100kg，说明假设数据需调整。正确解法：设F=100kg，S=100kg，M=200kg。A的总量=40kg，S的总量=100kg。E中A=a，S=s；R中A=40-a，S=100-s。由E和R的组成：a/E=0.35，s/E=0.5→E=a/0.35=s/0.5→s=0.5a/0.35=10a/7；R中(40-a)/R=0.1，(100-s)/R=0.05→R=(40-a)/0.1=400-10a，且(100-s)=0.05R=0.05×(400-10a)=20-0.5a→s=100-(20-0.5a)=80+0.5a。联立s=10a/7=80+0.5a→10a/7-a/2=80→(20a-7a)/14=80→13a=1120→a≈86.15kg，E=86.15/0.35≈246.15kg（超过M=200kg，说明题目数据需修正，正确数据应保证E+R=M=200kg，故假设E中A=25%，S=40%；R中A=15%，S=5%，则重新计算：0.25E+0.15(200-E)=40→0.1E=10→E=100kg，R=100kg；S的质量：0.4×100+0.05×100=45kg≠100kg，仍不合理。实际考试中应给出合理数据，此处假设正确数据下萃取率为(0.35E)/40×100%，E=80kg时为(28)/40=70%）。4.（1）q=100×2/(0.5+2)=200/2.5=80mg/g。（2）气体中溶质的摩尔数=1m³×(0.01×101300Pa)/(8.314×298K)≈(1013)/(2478)≈0.409mol，质量=0.409mol×M（假设溶质摩尔质量为M=40g/mol）=16.36g=16360mg。吸附剂用量10g，吸附量=10g×80mg/g=800mg，远小于溶质总量，故吸附量为800mg（假设未饱和）。五、综合分析题分离流程设计如下：1.预处理：发酵液先通过离