(2025年)分離工程考試模擬題(帶答案)一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某二元物系在常壓下的氣液平衡符合拉烏爾定律，已知純組分A的飽和蒸汽壓p?°=120kPa，純組分B的飽和蒸汽壓p?°=60kPa，當液相中A的摩爾分數x?=0.4時，氣相中A的摩爾分數y?為（）。A.0.571B.0.625C.0.720D.0.8002.采用連續(xù)精餾分離苯-甲苯混合液（相對揮發(fā)度α=2.5），進料為泡點液體，進料量F=100kmol/h，x?=0.4（摩爾分數，下同），要求塔頂xD=0.95，塔底xW=0.05，全塔平均板效率E=0.6。若實際塔板數為25塊（包括塔釜），則理論塔板數（不包括塔釜）為（）。A.12B.15C.18D.203.對于逆流吸收塔，若入塔氣體中溶質的摩爾比Y?=0.05，液氣比L/V=2，相平衡關系為Y=1.5X（X為液相摩爾比），則溶質的最大吸收率（）。A.80%B.85.7%C.90%D.95%4.萃取過程中，選擇萃取劑的關鍵因素是（）。A.萃取劑與原溶劑的互溶性B.萃取劑的密度C.萃取劑的沸點D.萃取劑的顏色5.某膜分離過程中，原料側壓力為5MPa，滲透側壓力為0.1MPa，膜對組分A的截留率為90%，則組分A在滲透側的濃度與原料側濃度之比為（）。A.0.1B.0.09C.0.05D.0.016.吸附過程中，若吸附等溫線符合Langmuir模型，當吸附質分壓p趨近于0時，吸附量q與p的關系為（）。A.q∝p2B.q∝pC.q∝√pD.q與p無關7.結晶過程中，若溶液的過飽和度S=1.2（S=c/c，c為實際濃度，c為飽和濃度），則結晶的推動力為（）。A.cB.c-cC.ln(S)D.S-18.恒沸精餾與萃取精餾的主要區(qū)別在于（）。A.前者加入的物質與原組分形成恒沸物，后者不形成B.前者操作壓力可變，后者不可變C.前者用于液液分離，后者用于氣液分離D.前者能耗更低9.對于板式塔的液泛現象，下列說法錯誤的是（）。A.液泛時塔板壓降急劇增大B.液泛時氣相流量超過上限C.液泛時液相流量過小D.液泛會導致分離效率下降10.超臨界萃取中，超臨界流體的選擇通?？紤]（）。A.臨界溫度接近室溫B.臨界壓力極高C.密度遠低于液體D.對溶質的溶解度極低二、填空題（每空1分，共10分）1.精餾操作中，回流比增大時，理論塔板數（）（填“增加”“減少”或“不變”）。2.亨利定律的表達式為p=Ex，其中E稱為（）。3.萃取三角形相圖中，兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線稱為（）。4.膜分離過程的驅動力可以是壓力差、濃度差或（）。5.吸附劑的再生方法包括升溫再生、降壓再生和（）。6.結晶過程中，晶核形成的兩種方式是（）和非均相成核。7.板式塔中，液體從上層塔板流到下層塔板的通道稱為（）。8.對于多組分精餾，關鍵組分是指（）的兩個組分。9.吸收過程中，若溶質在液相中的溶解度很大，則過程為（）控制。10.超臨界CO?萃取的優(yōu)點是（）（任寫一條）。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述精餾塔中進料熱狀態(tài)對操作線的影響。2.比較液液萃取與固液萃取的異同點。3.解釋膜污染的主要原因及減輕膜污染的措施。4.說明吸附等溫線在吸附過程設計中的作用。5.分析結晶過程中過飽和度對晶體粒度的影響。四、計算題（每題12分，共48分）1.某連續(xù)精餾塔分離甲醇-水混合液，進料量F=200kmol/h，x?=0.3（甲醇摩爾分數，下同），進料為飽和液體（q=1），塔頂餾出液x?=0.95，塔底xW=0.03，甲醇回收率η=98%。試求：（1）塔頂餾出液量D和塔底殘液量W；（2）精餾段操作線方程。2.用純溶劑吸收某混合氣體中的溶質A，入塔氣體流量V=100kmol/h（惰性氣體），Y?=0.04（摩爾比），要求吸收率φ=90%，相平衡關系為Y=2X（X為液相摩爾比），操作液氣比L/V=1.5倍最小液氣比。試求：（1）最小液氣比（L/V）min；（2）出塔液體中溶質的摩爾比X?。3.在25℃下，用純萃取劑S萃取A-B混合液中的A組分，原料液中A的質量分數為40%，B為60%，萃取劑與原料液的質量比為1:1。已知該體系的溶解度曲線和輔助線如圖（假設圖中數據：原料液點F，萃取相點E，raffinate相點R，E中A的質量分數為35%，S的質量分數為50%；R中A的質量分數為10%，S的質量分數為5%）。試求：（1）萃取相E和萃余相R的質量比；（2）A的萃取率。4.某吸附過程中，吸附劑對溶質的吸附符合Langmuir等溫方程q=q?p/(K+p)，其中q?=100mg/g（飽和吸附量），K=0.5kPa（常數）。當溶質分壓p=2kPa時，試計算：（1）平衡吸附量q；（2）若吸附劑用量為10g，處理體積為1m3的氣體（p=2kPa，總壓101.3kPa，氣體密度1.2kg/m3），求溶質的吸附量（假設氣體中溶質的摩爾分數為0.01）。五、綜合分析題（22分）某生物發(fā)酵液中含有乙醇（5wt%）、水（90wt%）、少量蛋白質（3wt%）和無機鹽（2wt%），要求分離得到純度≥99.5wt%的無水乙醇。請設計分離流程，說明各單元操作的作用及關鍵參數選擇依據（可結合相圖、操作條件等分析）。參考答案一、單項選擇題1.A（y?=p?°x?/(p?°x?+p?°(1-x?))=120×0.4/(120×0.4+60×0.6)=48/84=0.571）2.B（總物料衡算：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)（泡點進料xq=xF=0.4），代入得Rmin=(0.95-0.4)/(0.4-0.05)=1.57；實際回流比R=1.2Rmin≈1.88；理論塔板數N由芬斯克方程或圖解法計算，結合板效率E=0.6，實際板數25塊（含塔釜），則理論板數≈15）3.B（最大吸收率對應液氣比最小，即L/V=(Y?-Y?)/(X?-X?)，X?=0，Y?=Y?(1-φ)，相平衡時X?=Y?/(1.5)，則φmax=1-Y?/Y?=1-(L/V×X?+Y?)/Y?=1-(0)/Y?=(Y?-Y?)/Y?=(L/V×X?)/Y?=(2×(Y?/1.5))/Y?=2/1.5≈1.33（矛盾，正確解法：最大吸收率對應L/V=(Y?-Y?)/(X?-X?)，X?=0，Y?=Y?(1-φ)，X?=Y?/(1.5)，則L/V=(Y?-Y?)/X?=(Y?-Y?(1-φ))/(Y?/1.5)=φ×1.5；已知L/V=2，故φ=2/1.5≈0.857，即85.7%）4.A（萃取劑需與原溶劑部分互溶，形成兩相）5.A（截留率R=(cF-cP)/cF=0.9，故cP/cF=0.1）6.B（Langmuir方程q=q?p/(K+p)，p→0時，q≈q?p/K∝p）7.B（結晶推動力為過飽和度，即c-c）8.A（恒沸劑與原組分形成恒沸物，萃取劑不形成）9.C（液泛因氣液流量過大）10.A（CO?臨界溫度31.1℃，接近室溫）二、填空題1.減少2.亨利系數3.溶解度曲線4.電位差（或電場）5.置換再生（或化學再生）6.均相成核7.降液管8.分離要求中規(guī)定9.氣相10.無毒（或易回收）三、簡答題1.進料熱狀態(tài)影響q值，q=1（泡點液體）時，q線垂直；q>1（冷液）時，q線斜率>0；q=0（飽和蒸汽）時，q線水平；q<0（過熱蒸汽）時，q線斜率<0。q值改變會使精餾段與提餾段操作線交點位置變化，從而影響理論塔板數：冷液進料時，交點上移，提餾段操作線靠近平衡線，所需塔板數增加；過熱蒸汽進料則相反。2.相同點：均利用溶質在兩相中的溶解度差異實現分離；需選擇合適的溶劑；涉及傳質過程。不同點：液液萃取為液-液兩相，固液萃取為液-固兩相；固液萃取需考慮固體顆粒的孔隙結構和擴散阻力；液液萃取設備多為混合澄清器或萃取塔，固液萃取常用浸取器或滲漉器；固液萃取可能需要預處理（如粉碎）以提高傳質效率。3.膜污染原因：溶質在膜表面沉積（濃差極化）、膜孔堵塞（顆?；虼蠓肿游剑⒛げ牧吓c溶質的相互作用（如蛋白質變性吸附）。減輕措施：預處理原料（過濾、調節(jié)pH）；優(yōu)化操作條件（提高流速、降低壓力）；選擇抗污染膜材料（如親水性膜）；定期清洗（物理反沖、化學試劑清洗）。4.吸附等溫線描述一定溫度下吸附量與吸附質濃度的平衡關系，作用包括：（1）選擇吸附劑（比較不同吸附劑的等溫線斜率）；（2）確定吸附容量（q?）；（3）計算吸附過程的物料衡算（如確定吸附劑用量）；（4）分析吸附機理（判斷是單分子層還是多分子層吸附）；（5）優(yōu)化操作條件（如確定最佳吸附濃度范圍）。5.過飽和度S較低時，晶核提供速率小于晶體生長速率，晶體粒度較大；S過高時，晶核提供速率顯著增加，晶體數量多但粒度??；S適中時，晶核提供與生長速率平衡，可得到均勻的大顆粒晶體。此外，過高的S可能導致晶體缺陷（如雜質包裹），影響產品質量；過低的S則可能導致結晶無法進行或收率低。四、計算題1.（1）甲醇回收率η=D×x?/(F×x?)=0.98，代入數據得D=(0.98×200×0.3)/0.95≈61.26kmol/h；W=F-D=200-61.26=138.74kmol/h。（2）精餾段操作線方程：y=(R/(R+1))x+x?/(R+1)。由全塔物料衡算驗證：F×x?=D×x?+W×xW→200×0.3=61.26×0.95+138.74×0.03→60≈58.2+4.16≈62.36（誤差因η=98%，正確計算應為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）。精餾段操作線需先求R，假設泡點回流，q=1，q線方程x=x?=0.3。相平衡方程y=αx/(1+(α-1)x)（甲醇-水α≈4.8），則yq=4.8×0.3/(1+3.8×0.3)=1.44/2.14≈0.673。Rmin=(x?-yq)/(yq-x?)=(0.95-0.673)/(0.673-0.3)=0.277/0.373≈0.743，取R=1.5Rmin≈1.115，則操作線方程y=(1.115/2.115)x+0.95/2.115≈0.527x+0.45。2.（1）最小液氣比(L/V)min=(Y?-Y?)/(X?-X?)，Y?=Y?(1-φ)=0.04×0.1=0.004，X?=Y?/2=0.04/2=0.02，X?=0，故(L/V)min=(0.04-0.004)/(0.02-0)=0.036/0.02=1.8。（2）實際L/V=1.5×1.8=2.7，由物料衡算V(Y?-Y?)=L(X?-X?)→X?=(V/L)(Y?-Y?)+X?=(1/2.7)(0.04-0.004)=0.036/2.7≈0.0133。3.（1）設原料液質量為100kg（A=40kg，B=60kg），萃取劑S=100kg，總質量M=F+S=200kg。根據杠桿原理，E/R=(M-R)/R=(F+S-R)/R，而M中A的總質量=40kg，E中A=0.35E，R中A=0.1R，故0.35E+0.1R=40；S的總質量=100kg，E中S=0.5E，R中S=0.05R，故0.5E+0.05R=100。聯(lián)立解得E=180kg，R=20kg，E/R=9:1。（2）萃取率=（E中A質量）/（原料中A質量）×100%=(0.35×180)/40×100%=63/40=157.5%（矛盾，實際應為原料中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的質量：0.5×80+0.05×120=40+6=46kg≠100kg，說明假設數據需調整。正確解法：設F=100kg，S=100kg，M=200kg。A的總量=40kg，S的總量=100kg。E中A=a，S=s；R中A=40-a，S=100-s。由E和R的組成：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。聯(lián)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（超過M=200kg，說明題目數據需修正，正確數據應保證E+R=M=200kg，故假設E中A=25%，S=40%；R中A=15%，S=5%，則重新計算：0.25E+0.15(200-E)=40→0.1E=10→E=100kg，R=100kg；S的質量：0.4×100+0.05×100=45kg≠100kg，仍不合理。實際考試中應給出合理數據，此處假設正確數據下萃取率為(0.35E)/40×100%，E=80kg時為(28)/40=70%）。4.（1）q=100×2/(0.5+2)=200/2.5=80mg/g。（2）氣體中溶質的摩爾數=1m3×(0.01×101300Pa)/(8.314×298K)≈(1013)/(2478)≈0.409mol，質量=0.409mol×M（假設溶質摩爾質量為M=40g/mol）=16.36g=16360mg。吸附劑用量10g，吸附量=10g×80mg/g=800mg，遠小于溶質總量，故吸附量為800mg（假設未飽和）。五、綜合分析題分離流程設計如下：1.預處理：發(fā)酵液先通過離