分离工程答案

分离过程原理: 平衡分离过程：根据当体系处于平衡时物质在不同相态（气液、气固、液固等）中浓度不同而实现分离，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等；速率分离过程：根据物质分子在外力作用下迁移速率不同而实现分离，如膜分离、电泳等；场作用分离过程：根据场对物体的不同作用而实现分离，如重力场、电场、磁场等；机械分离过程：根据物体颗粒尺寸不同而实现分离，如筛分和过滤等。

分离过程的选择依据与准则：① 产品价值；② 产品质量、规格、形式（浓度,纯度,晶型）；③ 物料组成；④ 产物在生产过程中出现的位置(次序合理,步聚少)；⑤ 物性(溶解度,荷电,尺寸,功能团,稳定性,挥发性，毒害危险性)；⑥ 生产规模，不同分离方法的技术经济比较；⑦ 三废处理（BOD,COD,菌体,毒害物）。

分离效率评价：从分离方法和装置角度：分离容量、分离速度、分辨率；从产品角度：浓缩比、纯化程度、回收率。

物理破碎法缺点：A、高能、高温、高噪音、高剪切力(四高)，易使产品变性失活；B、非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难；C、细胞碎片大小不一，难分离。
化学破碎法缺点：A、费用高；B、引起新的污染，尤其是其他化学方法；C、一般只有有限的破碎，常需与其他物理法连用。

电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升），称为凝聚价或凝聚值。

固液分离方法：沉降 密度差－－－重力；离心 密度差－－－离心力；过滤 外形尺寸－－压力

混合物 1、均相混合物：物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。2、非均相混合物：物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。
非均相混合物1、处于分散状态的物质；2、包围着分散相物质且处于连续状态的流体

重力沉降分离中，颗粒沉降速度的大小决定了流-固两相分离的难易程度。当颗粒与流体的密度差不大、粒径也不大时，沉降速度会很小，故低密度的细颗粒就很难分离。
自由沉降：流体中单颗粒的沉降 干扰沉降：流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此相互影响。液-固重力沉降分离中更为突出。

干扰沉降的规律：混合均匀的悬浮液在直立圆筒中静置一段时间即会从上到下出现四个分区。A区：清液区；B区：均匀沉降区。该区颗粒分布均匀，浓度与原始悬浮液相同(c=c0)；C区：浓缩区。此区自上而下颗粒浓度增高、粒度也增大；D区：沉淀堆集的沉聚区。

影响沉降速度的因素：1）颗粒的体积浓度；2）器壁效应；3）颗粒形状的影响

按

蒸馏方式分为：1、简单蒸馏（蒸发）2、平衡蒸馏（闪蒸）3、精馏 4、特殊精馏
按操作压强分为：1、常压 2、加压 3、减压
按混合物中组分可分为：1、双组分 2、多组分。 按操作方式分为：1、间歇 2、连续

分子蒸馏的原理：分子蒸馏是在1Pa-0.01Pa高真空下进行的，分子流从加热面直接到冷凝器表面上冷凝（一般温差70-100℃），无沸腾。
分子蒸馏技术的特点：1、操作温度低（远低于沸点）、真空度高（空载≤1Pa）、受热时间短（以秒计）等，特别适宜于高沸点、热敏性、易氧化物质的分离；2、可有效地脱除低分子物质（脱臭）、重分子物质（脱色）及混合物中杂质；3、其分离过程为物理分离过程，可很好地保护被分离物质不被污染，特别是可保持天然提取物的原来品质；4 、分离程度高，高于传统蒸馏及普通的薄膜蒸发器；5、普通蒸馏有鼓泡，沸腾现象，分子蒸馏是在沸点温度以下实现的，因此没有鼓泡，沸腾现象。

塔设备设计思路：1、总体上保证气液两相呈逆流流动 2、每块板上或填料层内保证气液两相充分接触 3、提供足够大的气液两相通道
板式塔可分为：1、溢流塔 2、逆流塔 优点：塔板结构简单，板上无液液相面差，板面充分利用，生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。

离子交换剂的分类：按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂（含酸性基团）和阴离子交换树脂含碱性基团）。
离子交换过程：离子交换： R—A+ + B+ = R—B+ + A+ 洗脱： R—B+ + C+ = R—C+ + B+ 再生： R-—C+ + A+ = R—A+ + C+

常用的离子交换树脂：1、强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；2、弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH,-OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团；3、强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-?-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；

离子交换树脂的理化性能：1、外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%；2、机械强度：>90%；3、含水量：0.3~0.7g/g 树脂；4、交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；5、稳定性：化学稳定性、热稳定性；6、膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；7、湿真密度：单位体积湿树脂的重量；8、孔度、孔径、比表面积

总交换容量：单位体积湿树脂或单位重量干树脂中，所有交换基团的总数。
操作交换容量：单位体积湿树脂或单位重量干树脂中，实际参加反应的活性基团

的总数。

膜分离一般是指利用膜对流体混合物中不同组分的选择性渗透的特点来分离流体混合物的操作过程
膜分离的应用领域：(1) 分散得很细的固体，特别是与液体密度相近，胶状的可压缩的固体微粒；(2) 低分子量的不挥发的有机物、药物与溶解的盐类；(3) 对温度、酸碱度等物理化学条件特别敏感的生物物质。

膜过程的一些术语：1、通量：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位L/m2.h 2、选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。3、推动力：1）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。2）对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。4、膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。5、物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。6、化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。

膜的分离性能参数：除了描述膜结构中如孔径分布，最大孔径等孔的特性参数以外，其分离性能主要用膜的分离因素和膜的通量来表示
电渗析：电渗析是以电位差为推动力，利用离子交换膜对离子的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的操作。
工业上常见的膜器件：板框式 圆管式 螺旋卷式 中空纤维式 毛细管式

结晶的概念：溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一具有各种对称的晶体，其特征为离子和分子在空间晶格的结点上呈规则的排列；

凯尔文（Kelvin）公式：?溶质溶解度与温度、溶质分散度（晶体大小）有关。

结晶的步骤：1、过饱和溶液的形成 2、晶核的形成 3、晶体生长 其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。
饱和溶液：溶质与溶液共存并处于相平衡状态。其浓度即是该温度下固体溶质在溶剂中的溶解度(平衡浓度)。
不饱和溶液：浓度<饱和浓度的溶液。 过饱和溶液：浓度>饱和浓度的溶液。
过饱和溶液的形成方法：1、热饱和溶液冷却（等溶剂结晶）。特点：适用于溶解度随温度升高而增加的体系；同时，溶解度随温度变化的幅度要适中；2、部分溶剂蒸发法（等温结晶法）。特点：适用于溶解度随温度降低变化不大的体系，或随温度升高溶解度降低的体系；3、真空蒸发冷却法 。

特点：使溶剂在真空下迅速蒸发，并结合绝热冷却，是结合冷却和部分溶剂蒸发两种方法的一种结晶方法。 4、化学反应结晶。特点：加入反应剂产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出；

晶核的成核速度：定义：单位时间内在单位体积溶液中生成新核的数目。是决定结晶产品粒度分布的首要动力学因素；成核速度大：导致细小晶体生成因此，需要避免过量晶核的产生

常用的工业起晶方法：1、自然起晶法：溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核、当产生一定量的晶种后，加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区，新的晶种不再产生，溶质在晶种表面生长。2、刺激起晶法：将溶液蒸发至亚稳定区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。3、晶种起晶法：将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度，加入一定量和一定大小的晶种，使溶质在晶种表面生长。

扩散方程：将以上二式合并，可以得到总的质量传递速度方程

当Kr很大时，K近似等于Kd，结晶过程由扩散速度控制；反之Kd很大，K近似等于Kr，结晶过程由表面反应速度控制；

影响晶体生长速度的因素：1、杂质：改变晶体和溶液之间界面的滞留层特性，影响溶质长入晶体、改变晶体外形、因杂质吸附导致的晶体生长缓慢；2、搅拌：加速晶体生长、加速晶核的生成；3、温度：促进表面化学反应速度的提高，增加结晶速度；

晶体的洗涤：母液中含有各种杂质，若附在晶体上则会影响结晶产品的纯度。常用离心机或过滤机将晶体和母液进行分离，并用适当的溶液对晶体进行洗涤。
晶簇 ：包藏在晶簇中的母液很难用洗涤的方法除去。所以在结晶操作中应尽量避免晶簇的形成。如对溶液进行搅拌。
再结晶现象：小晶体有因表面能过大而被溶解的倾向。在晶体粒度不一且溶液的过饱和度较低的情况下，小的晶体会被溶解，而较大的晶体则会继续成长成外形更加完好的晶体。

层析技术：定义——也称色谱层析、色谱、色层；样品中各组成依据其在固定相与流动相之间作用行为的差别进行多次分离的过程。 特点——分离精度高、适用范围广、设备简单、操作方便；处理量小、间歇操作等

吸附定义：将多孔性固体物料与流体(气体或液体)混合物进行接触，有选择地使流体中的一种或多种组分附着于固体的内外表面，从而达到与其它组分分离的目的。多孔性固体物料称为吸附剂，附着于固体表面的组分称为吸附质。

吸附的分类：物理吸附(范德华吸附)；化学吸附

工业吸附剂要求：(1)

巨大的吸附面积表面积越大，吸附能力越强。(2) 较高的选择性选择性愈高，一次吸附的分离愈完全。( 3) 一定的机械强度一定的机械强度和耐磨性可防止在运输和操作过程中过多破碎，造成操作中流体通道的阻塞或流体污染。(4) 适当的物理特性流体阻力较小，流动性较好，适当的堆密度等。(5) 一定的稳定性具有化学稳定性和热稳定性，以适应较大范围的操作条件。(6) 价廉易得。

常用吸附剂：(1) 各种活性土(漂白土、铁钒土和酸性白土等）；(2) 活性氧化铝；(3) 硅胶；(4) 活性炭；( 5) 分子筛（天然沸石和合成沸石）(6）吸附树脂

常用的解吸方法：1、低级醇、酮或水溶液解吸原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间的相互作用力 2、碱解吸附原理：成盐，主要针对弱酸性溶质 3、酸解吸附——原理同上 4、水解吸附原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸附量

吸附等温线：概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线。
影响吸附的主要因素：1、吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性 2、吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对分子量…3、温度：吸附是放热过程，吸附质的稳定性 4、溶液pH值：影响吸附质的解离 5、盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定

何谓萃取：利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同，从而达到分离的目的
按溶液与萃取剂的接触方式分为：分级接触式和微分接触式连续接触式，分级接触式又分为单级多级错流多级逆流
单级萃取：单级萃取最多为一次平衡，故分离程度不高，只适用于溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取率要求不高的场合。
多级错流萃取：原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽中，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备，回收溶剂后的萃取相称为萃取液（用E’表示），回收溶剂后的萃余相称为萃余液（用R’表示）。特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。
多级逆流萃取：原料液和萃取剂依次按反方向通过各级，最终萃取相从加料一端排出，并引入溶剂回收设备中，最终萃余相从加入萃取剂的一端排出，引入溶剂回收设备中。特点：可用较少的萃取剂获得比较高的萃取率，工业上广泛采用。

萃取剂的选择：1、化学稳定性萃取剂应不易水解和热解，耐酸、碱、盐、氧化剂或还原剂，腐蚀性小。在原子能工业中，还应具有较高的抗辐射能力。2、物理性质(1) 溶解度萃取剂在料液相中的溶解度要小 (2) 密度：密度差大，有利于分层，不易产

生第三相和乳化现象，两液相可采用较高的相对速度逆流。(3) 界面张力：界面张力大，有利于液滴的聚结和两相的分离；另一方面，两相难以分散混合，需要更多外加能量。由于液滴的聚结更重要，故一般选用使界面张力较大的萃取剂。(4) 粘度：低粘度有利于两相的混合与分层，流动与传质，对萃取有利。对大粘度萃取剂，可加入其它溶剂进行调节。3、回收的难易 4、其它因素无毒或毒性小、无刺激性、不易燃（闪点高），难挥发（沸点高、蒸气压小）。来源丰富，价格便宜，循环使用中损耗小。

超临界萃取：以接近或超过临界点的低温、高压、高密度气体作为溶剂，从液体或固体中萃取所需组分，然后采用等压变温或等温变压等方法，将溶质与溶剂分离的单元操作。
常用的超临界流体：二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和氨、正戊烷、甲苯等。
超临界萃取的基本原理：超临界流体的密度接近于液体，黏度接近于气体，扩散系数在气体和液体之间，比液体大100倍左右。
超临界流体具有与液体相近的溶解能力，同时其传质速率远大于液体溶剂并能很快达到萃取平衡。

超临界萃取主要由萃取阶段和分离阶段两部分组成：等温变压流程：利用不同压力下超临界流体萃取能力（溶解度）的差异，通过改变压力使溶质与超临界流体分离。特点：T1= T2，p1> p2 和等压变温流程 ：利用不同温度下超临界流体萃取能力（溶解度）的差异，通过改变温度使溶质与超临界流体分离。特点：T1< T2，p1= p2 ；和等温等压吸附流程：在分离器内放置仅吸附溶质而不吸超临界流体的吸附剂，通过吸附过程来达到溶质与超临界流体分离的目的。特点：T1= T2，p1= p2

超临界萃取的特点：1、超临界流体的密度与溶解能力接近于液体，而又保持了气体的传递特性，故传质速率高，可更快达到萃取平衡；2、操作条件接近临界点，压力、温度的微小变化都可改变超临界流体的密度与溶解能力，故溶质与溶剂的分离容易，费用低；；3、超临界萃取具有萃取和精馏的双重特性，可分离难分离物质；4、超临界流体一般具有化学性质稳定、无毒无腐蚀性、萃取操作温度不高等特点，故特别适用于医药、食品等工业；5、超临界萃取一般在高压下进行，设备投资较大。

超临界（二氧化碳）萃取工艺的缺点：1、高压系统的设备价格较高，初期投资较大。2、设备大都为非标设备，制造周期较长。3、更换产品时，清洗容器和管道比较困难。4、超临界CO2适宜萃取脂溶性、非极性物质；萃取水溶性、极性物质，需加入极性助剂。5、由于目前国内制造水平不能制造太大的压力

容器，所以生产规模受限，只适于加工附加价值高的产品。但美国做了一台20m3的萃取器用来提取豆油。

超临界萃取的应用实例：超临界萃取在石油残渣中油品的回收、咖啡豆中脱除咖啡因、啤酒花中有效成分的提取等过程中已成功地应用于大规模生产。