13. 什么是离心分离机?叙述离心分离机分离两种不同重度液体的原理。
答: 藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解的两种液体分开的离心机称作离心分离机。
离心分离机机的转鼓内有数十只(50-80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几个对称分布的圆孔许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。两种不同重度液体的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转，由于两种不同重度液体的离心沉降速度的不同，重液的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，轻液的离心沉降速度小，则向轴线流动。这样，两种不同重度液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。
14. 在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用什么离心机?叙述该机分离酵母的原理。 答: 在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用离心澄清机。
离心澄清机的转鼓内有数十只(50~80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5~1.2mm)叠置起来组成碟片组。含有酵母的发酵醪液进入离心澄清机后，从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄层隙道，这时发酵醪也被带着高速旋转，由于固体和液体的离心沉降速度的不同，在碟片间的隙道中被分开，固体(酵母)的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，液体的离心沉降速度小，则向轴线流动。这样，酵母和液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。
15. 在工厂中要将奶油(酯)从新鲜牛奶中分离出来应该选用什么离心机?叙述该机分离奶油的原理。 答: 在工厂中要将奶油(酯)从新鲜牛奶中分离出来应该选用离心分离机，它能藉离心沉降速度的不同将互不溶解的两种液体分开。
离心澄清机的转鼓内有数十只(50-80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几个对称分布的圆孔许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。两种互不溶解的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转，由于互不溶解的两种液体重度不同，离心沉降速度也不同，重液（奶）的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，轻液（酯）的离心沉降速度小，则向轴线流动。这样，奶油(酯)和奶就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。
16. 以超滤或反渗透为例讲述膜分离原理。 答： 以反渗透为例讲述膜分离原理如下：
假设有一个仅能透过溶剂而不能透过溶质的半透膜，将纯溶剂（比如纯水）和浓溶液分别置于膜两侧，因施加在溶液上方的压力不同，表现出三种情况如下图所示。
无外界压力作用时，由于纯溶剂（水）的化学位 U1大于溶液中溶剂的化学位 U2，引起纯溶剂（水）透过膜向溶液侧迁移，这就是渗透，如图A。
对溶液施加压力，提高其化学位，就降低了膜两侧溶剂的化学位差，从而降低了纯溶剂向溶液渗透的透过速率。当施加在溶液上的压力恰好使溶剂的化学位与纯溶剂（纯水）的化学位相等，于是系统达到渗透平衡，此时溶液承受的压力称为渗透压 Δπ，如图B。
对溶液施加的压力超过渗透压 Δπ 时，溶液中溶剂的化学位高于纯溶剂（水）的化学位，于是溶液中溶剂（水）以压力差为推动力，透过膜向纯溶剂（水）侧迁移，实现了从溶液中分离出溶剂（水）。由于此时溶剂的迁移方向与渗透方向相反，故称为反渗透，如图C。
17. 什么是超滤过程中的浓差极化现象，如何降低浓差极化现象。
答：待分离液从膜面一侧流过时，靠近膜面的液体处于层流状态；同时，当水及小分子溶质透过膜面时，大分子的溶质在靠近膜面处被阻留。被阻留分子从膜面返回液体主流的速度受其通过层流区的扩散速度所控制，当这一速度低于被阻留分子在膜面聚集的速度，就必然会在膜面的一侧逐渐形成一高浓度的被阻留溶质层。这就是浓差极化。
随着浓缩倍数的提高，浓差极化现象越来越严重，膜的透过通量也越来越低。
提高液流的雷诺准数，可以减小层流区的厚度，增大被阻留分子返回液体主流的速度，这是削弱浓差极化的重要措施。但其些酶在高的剪切应力下，容易丧失其部分酶活力，因此不能无限提高液体流速（提高液流的雷诺准数方法之一）。提高液温也是削弱浓差极化常用的方法，但也受被浓缩液及膜的耐热性的限制。
18. 用膜分离(超滤和反渗透)技术分离化工产品有什么特点? 答： 膜分离(超滤和反渗透)技术分离化工产品特点是：
①. 膜分离过程中不发生相变化,与有相变化的分离法和其他分离法相比,能耗要低。 ②. 膜分离过程是在常温下进行的,因而特别适用于对热敏性物质的分离、分级、浓缩和富集。例如用于果汁、酶、
药品生产中。
膜分离技术不仅适用于有机物和无机物、病毒、细菌的分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如将溶液中大分子与无机盐的分离，一些共沸物或近沸物系的分离等。
由于只是用压力作为超滤和反渗透的推动力，因此分离装置简单，操作方便，易于自动控制，易于维修。 19. 什么是真空蒸发浓缩？祥细叙述升膜式蒸发器的工作原理。
答：溶液在真空状态，较低的温度下即沸腾、溶剂汽化，这称之为真空蒸发浓缩。
升膜式蒸发器的工作原理。溶液在加热的管子里由下而上运动时，在管壁的液体受热温度上升，密度下降，而管子中心的液体温度变化较小，这就使管内液体产生如图a所示的自然对流运动。温度升得越高对流越激烈，当温度升到相应沸腾温度时，溶液便开始沸腾，产生蒸汽气泡分散于连续的液相中。由于蒸汽气泡的密度小故气泡通过液体而上升，如图b所示。液相因混有蒸汽气泡，使液体静压头下降，液体继续受热，温度不断上升，气泡大量增加。蒸汽气泡相互碰撞，小气泡就聚合成大气泡于管子中部上升，气泡增大，气体上升的速度则加快，如图c所示。当气泡继续增大形成柱状，占据管子中部的大部分空间时，气体以很大的速度上升，而液体受重力作用沿气泡边缘下滑，如图d所示。 液体下降较多时，大个柱状气泡则被液层截断，如图e所示。若液体温度继续上升，溶液的蒸发速度继续增加，气泡的上升速度激增，蒸汽的密度也增大，由于重力作用，滑流下来的液体很快受热蒸发，未蒸发的浓缩液体也被高速气流带着上升，气泡断层不能形成，蒸汽占据了整个管子中部空间，液体只能分布于管壁，开始形成液膜，如图f所示，这时称为环形流。环形流液体的上升是靠高速蒸汽气流对流层的拖带而形成，称之为“爬膜”现象。这时液膜沿管壁上升不断受热蒸发，浓度不断增大，最后与蒸汽一齐离开，管子越高则上升蒸发时间越长,溶液浓缩越大。
20. 在味精生产过程中（包括麸酸）使用了哪些结晶设备？采用真空煮晶锅进行味精的精制,其优点是什么？ 答：在味精生产过程中（包括麸酸）使用了三种结晶设备，立式结晶箱（也称等电罐），卧式结晶箱（也称育晶槽），真空煮晶锅。
采用真空煮晶锅进行味精的精制,其优点是可以控制溶液的蒸发速度和进料速度，以维持溶液一定的过饱和度进行育晶，同时采用连续通入未饱和液来补充溶质的量，使晶体长大。 真空煮晶锅内的真空度可用蒸汽喷射泵、水力喷射泵或真空泵来产生。
21. 什么是沸腾干燥，叙述沸腾干燥的原理。
答: 沸腾干燥是利用流态化技术,即利用热的空气流体使孔板上的粒状物料呈流化沸腾状态，当气流速度与颗粒沉降速度相等，压力降与流动层单位面积的重量达到平衡时（此时压力损失变成恒定），粒子就在热气体中呈悬浮状态，粒子中的水分迅速汽化，达到干燥目的。
24．气流干燥的特点
? （1）干燥强度大。由于气体在干燥管内流速大，一般为10～20m/s，气一固间存在一定的相对速度，因
而固体物料与空气之间产生剧烈的相对运动，使物料表面的气膜不断更新，大大降低了传热和传质的气膜阻力。一般干燥器全管平均体积传热系数为4200～1300kj/(m3·h·℃)。
（2）干燥时间短。物料在干燥管内仅停留1～5s即可达到干燥要求。因此对于热敏性物料仍可采用较高的介质温度。如用140℃的热空气干燥赤霉素，130℃热空气干燥四环素均能获得优质产品。
（3）适用性广。可使用于各种粉粒状、碎块状物料的干燥，粒径范围约为O.l～10mm。湿含量可大至3O％～4O％。
（4）设备结构简单。占地面积小，生产能力大，能连续操作，可实现自动控制。
气流干燥对物料有一定的磨损，因此不适合于对晶形有一定要求的物料，且热能利用程度较低，一般热利用率仅为3O％左右。 25．喷雾干燥的特点
? （1）干燥速度快、时间短，一般为3～3Os，由于料液雾化成20～60μm的雾滴，其表面积相应高达200～
23
5O00m／m，物料水分极易汽化而干燥。
? （2）干燥温度较低。虽然采用较高温度的热空气，但由于雾滴中含有大量水分，其表面温度不会超过
加热空气的湿球温度，一般为5O～60℃，加之物料在干燥器内停留时间短，因此物料最终温度不会太高，非常适合于热敏性物料的干燥。
? 3）制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。但喷雾干燥的容积干燥强度小，放干燥室体积大，
热量消耗多，一般蒸发1kg水分约需6000kJ热量，相当于消耗2.5～3.5kg的蒸汽。
26．流化床干燥原理
流化床干燥（也称沸腾干燥）是利用流态化技术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。流化床干燥中，热空气的流速与颗粒的自由沉降速度相等，当压力降近似等于流动层单位面积的质量时，床层便由固定态变化流化态，床层开始膨胀，颗粒悬浮于气流中，并在气流中呈沸腾状翻动，但仍保持一个明确的床界面，颗粒不会被气流带走。干燥过程处在稳定的流态化阶段。 27．流化床干燥的特点
1．传热传质速率大。由于颗粒在气流中自由翻动，颗粒周围的滞流层几乎消除，气一固间的传热效果优
3
于其他干燥过程。体积传热系数一般都在4200OkJ／（m·h·℃）以上，是所有干燥器中体积干燥强度最大的一种。
2．干燥温度均匀，易于控制。由于物料在干燥器中的停留时间可以控制，可使物料的最终含水量降到很低水平，且不易发生过热现象。
3．连续化、自动化操作。干燥与冷却可连续进行，干燥与分级可同时完成，有利于连续化、自动化操作，且设备结构简单，生产能力高，动力消耗小。
28. 流化床干燥操作过程中可能出现的几种不正常现象及原因：
(1)沟流和死床 气速虽然已超过临界流速umf，但床层仍不流化，某些部分被气流吹成一条“沟道”，气体由此穿过床层，这种现象称为“沟流”，未流化部分称为“死床”。也有可能出现局部沟流和局部死床，见图 (a)(b)。产生沟流时，床层压力降低于Δp，其差值正好表明沟流的严重程度。
气—固接触不良，使传热传质过程不能很好进行，降低产品质量和设备的生产效能；而死床部分容易产生产品的“烧结”现象。
研究表明，颗粒性质、床层高度、设备结构、气体流速等因素，都会导致沟流的产生，例如，床层很薄；颗粒很细、太湿、易粘合成团块、物料颗粒带静电，易产生“抱团”；气速过低或气流分布不均匀；分布板结构不合理，如开孔率大小不合适，床内构件阻碍气体流动等。
消除沟流与死床的办法有：加大气速；若物料太湿，可进行预先干燥；分布板开孔率大小不合适时，可应用小型试验进行检验确定。
(2)腾涌 流化床内的气泡汇合长大，当其直径接近床层直径时，把以上的颗粒物料像活塞一样向上托起，达到一定高度以后崩裂，颗粒被抛出很高，然后纷纷落下。这种现象称为“腾涌”，又称活塞流等，见图 (c)所示。
产生腾涌时，床层压降剧烈波动。此时床层极不均匀，传质传热很难进行，固体颗粒严重磨损和带出，设备零件被冲击而损坏。
颗粒性质、床层高度和气速等，都会引发腾涌产生，例如，床高H0与床径D之比值H0/D较大时，大颗粒比小颗粒更易产生腾涌；H0/D较大而气速又较高，也易产生此现象，一般当H0/D<1、设备比较大(D>1m)以及床层内加设内部构件等，均可防止腾涌。
(3)层析现象 在气固系统中，往往因为固体颗粒大小相差较大或密度不同，在操作过程中会产生层析现象。如卧式沸腾干燥箱的操作过程中，细颗粒或粉末状的物料被气体带出，一般中等颗粒的物料能逐渐向卸料口接近而卸出，而大颗粒的物料由于层析现象沉降于床层底部，造成无法流化或结疤现象。在生产中经常有此现象，最后用人工取出。装有往复推料器时能全部自动出料，避免了此现象的发生．
29. 流化床干燥中的返料
在流化床干燥中料液一边雾化，一边加入晶核，在操作上称为返料，开始操作时必须预先在干燥器内加入一定量的晶核（称底料）才能喷入料液，以防止喷入的料液黏壁。加入晶核颗粒大小与产品粒度有关，晶核大者，产品颗粒大，返料量小时，则产品颗粒大，因此，可用调节返料量来控制床层的粒度分布。
30. 试述超临界流体萃取的工作原理
超临界流体的密度接近于液体，密度越大，溶解能力越高。而其粘度μ接近于气体，自扩散系数比液体大约100倍。这说明超临界流体具有接近液体的密度和类似液体的溶解能力，具有接近气体的粘度和扩散速度。这就意味着超临界流体有很高的传质速率和很快达到萃取平衡的能力，这就是超临界流体萃取比溶液萃取分离效果好的主要原因。
在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加,极性增大,利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理。
31．试述分子蒸馏的基本原理
从分子运动平均自由程的公式可以看出，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，其平均自由程也不相同。
分子蒸馏技术是利用不同种类分子逸出液面后平均自由程不同的性质实现的。在一个高真空的设备中，放置一个加热面和一个冷凝面，加热面冷凝面之间的距离小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程。混合液从加热面上过并被加热获得能量，轻分子的平均自由程大，可以不与其他分子碰撞，直接到达冷凝面而被捕集、冷凝，从而破坏了轻分子的动态平衡，混合液中的轻分子不断逸出，并在冷凝面上被捕集、冷凝，而重分子的平均自由程小，因达不到冷凝面而很快趋于动态平衡，不再从混合液中逸出，而在原来液面并被收集，这样，便达到了混合物分离的目的。
八.计算题
335
1． 一台连续灭菌设备，培养基流量 Q = 18 M／h，发酵罐装料容积 72 M ，培养基的原始污染程度为 10
个／ml，发酵工艺要求因培养基灭菌原因引起的倒罐率为0.1%，即 Ns= 10查图得此时的反应速度常数为 k=11 分
-1
-3
个／批，灭菌温度 T = 398 K，
，维持段采用无缝钢管公称直径 Dg = 150 mm 。试求培养基连续
灭菌过程中维持时间τ以及维持管的长度 L 约需多少。
2．某丙酮丁醇厂需新建 100 M丙酮丁醇发酵罐,已计算出主发酵期生物合成热 Q1 =4×10kj/h,蒸发热损失Q2 为Q1 的 5%,查有关资料可知罐向周围环境散失的热损失 Q3 =1.2×10kj/h,醪液的比重为ρ=1.082×10 kg/M，发酵温度为 30 ℃，冷却水进口温度为 20 ℃，出水温度为 25 ℃，冷却水的平均比热 Cp=4.186 kj/(kg.℃),罐内采用蛇管冷却,冷却蛇管为水煤管,其规格为 53/60 (mm),壁厚3.5mm，其导热系数λ=188 kj/(M.h.℃),根据生产经验数据可取传热系数α1和α2分别为2700 kj/(M.h.℃)和 1.45×10kj/(M .h.℃),另外管壁水垢层的热阻取 1/16750 M .h.℃/kj,试求发酵罐冷却面积、蛇管总长度和冷却水耗量。 解:1. 总的热量Q=4×10-5%×4×10-1.2×10 =3.68×10 (kJ/h)
5545224243335 2. 冷却水耗量 W =
QCp(t2?t1)368.?105.?(25?20)= 17600 (kg/h) =4186(tF?t1)?(tF?t2)tF?t12.303lgtF?t2= 7.2 (℃) 3. 对数平均温度差 Δtm=
111S1110.00351??????α1α2λ16750= 27001450018816750 4. K =
= 1931 kJ/(M ·h·℃)
21Q3.68?105K??tm=1931?7.2 = 26.5 M2
5. 冷却面积 F =
答:..._
3． 设计一台通风量为50M/min的棉花活性炭空气过滤器， 空气压力为 0.4 MPa(绝对压力)，已知棉花纤维直径
d=16 微米，填充系数α= 8%，空气线速度为 0.1 M/sec，若进入空气过滤器的空气含菌量是 5000 个/M ， 要求因空气原因引起的倒罐率为0.1%，发酵周期 100 hr。工作温度为 40℃，平均气温为 20℃，计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)。
表1 纤维直径 d=16 微米，填充系数α= 8% 时棉花纤维的K'值 空气流速 v0 (M/sec) 0.05 0.193 0.10 0.135 0.50 0.1 1.0 0.195 2.0 1.32 3.0 2.55 33k' (1/cm)
解： 查表： 当v0= 0.1 M/sec 时,K'=0.135
lgN2??k'L N19N1= 5000×50×60×100 = 1.5×10
N2= 10
?3
N2N1?12.18??90.2(cm) ∴L??k'?0.135lgP1 = 0.1 MPa P2= 0.4 MPa V1= 50 M/min = 0.83 M/sec 由气态方程得：
33V2?V1P1T2??0.22(M3/sec) P2T1D?4V24?0.22??1.67 （M） ?VS3.14?0.1答: 该空气过滤器的过滤介质厚度为 90.2 cm ,过滤器直径为 1.67 M.