化工原理第十章

1、第十章 液-液萃取和液-固浸取1.25C时醋酸（A）戻醇-3 （B） -水（ S）的平衡数据如本题附表所示。 习题1附表1溶解度曲线数据（质量分数 /%）醋酸（A）庚醇-3( B)水（S）醋酸（A）庚醇-3（ B）水（S）0（嘟琴）3.648.5-3(Bh3(B)-3(38.73.593.03.547.57.545.08.687.24.242.73.753.619.374.36.436.71.961.424.467.57.929.31.169.630.758.610.724.50.974.641.439.319.319.60.779.745.826.727.514.90.684.546.524

2、.129.47.10.592.447.520.432.10.00.499.6习题1附表2联结线数据（醋酸的质量分数 %）水 层r庚醇-3层水 层庚醇-3层6.45.338.226.813.710.642.130.519.814.844.132.626.719.248.137.933.623.747.644.9试求：（1）在直角三角形相图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，在直角坐标图上绘出分配曲线。（2）确定由200 kg醋酸、200 kg庚醇-3和400 kg水组成的混合液的物系点位置。混合液经充分混合并静置分层后，确定两共轭相的组成和质量。（3 ）上述两液层的分配系数 kA及解：（1）溶解度曲线如

3、附图 分配曲线如附图2所示。选择性系数 。（4）从上述混合液中蒸出多少千克水才能成为均相溶液?1中曲线SEPHRJ所示。辅助曲线如附图 1曲线SNP所示。（2）和点醋酸的质量分率为0.25200XA200 200 400水的质量分率为Xs400200 200 4000.50由此可确定和点 M的位置，如附图1所示。由辅助曲线通过试差作图可确定M点的差点R和E。由杠杆规则可得13R M4013800kg260kg40E M R 800 260 kg 540kg习题1附图1习题1附图2由附图1可查得E相的组成为yA0.28,ys0.71,y0.01R相的组成为XA0.20,Xs0.06,Xb0.74

4、竺1.40.20（3）分配系数kA仏Xa0.0135. yB 0.01 kBXb 0.74选择性系数（4）随水分的蒸发，和点 M将沿直线SM移动，当M点到达H点时，物系分层消失，即 变为均相物系。由杠杆规则可得3434H M800kg494.5kg5555需蒸发的水分量为M H 800 494.5 kg 305.5 kg2.在单级萃取装置中，以纯水为溶剂从含醋酸质量分数为 30%的醋酸 殃醇-3混合液中提 取醋酸。已知原料液的处理量为 1 000 kg/h ,要求萃余相中醋酸的质量分数不大于 10%。试（1） 水的用量；（2）萃余相的量及醋酸的萃取率。操作条件下的平衡数据见习题1。解：（1）物

5、系的溶解度曲线及辅助曲线如附图所示。由原料组成xf=0.3可确定原料的相点 F,由萃余相的组成 xa=0.1可确定萃余相的相点 R。借 助辅助曲线，由R可确定萃取相的相点 E。联结RE、FS,则其交点M即为萃取操作的物系点。 由杠杆规则可得F 37 S 2637261000kg1423kg26（2）由杠杆规则可确定萃余相的量。R4910001423 kg 791kg49由附图可读得萃取相的组成为yA0.140.142423 791萃取率=76.2%1000 0.33.在三级错流萃取装置中，以纯异丙醚为溶剂从含醋酸质量分数为30%的醋酸水溶液中提取醋酸。已知原料液的处理量为2000 kg，每级的

6、异丙醚用量为800 kg，操作温度为20 C,试求（1）各级排出的萃取相和萃余相的量和组成；（2）若用一级萃取达到同样的残液组成，则需若干千克萃取剂。20 C时醋酸（A ） -水（ B）埠丙醚（S）的平衡数据如下：习题3附表 20 C时醋酸（A） -水（ B）塀丙醚（S）的平衡数据（质量分数）水相有机相醋酸（A）水（B）异丙醚（S）醋酸（A）水（B）异丙醚（S）0.6998.11.20.180.599.31.4197.11.50.370.798.92.8995.51.60.790.898.46.4291.71.91.91.097.113.3484.42.34.81.993.325.5071.7

7、3.411.43.984.736.758.94.421.66.971.544.345.110.631.110.858.146.4037.116.536.215.148.7解：由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，如附图所示。由原料组成xf=0.3，在图中确定原料相点F。由物料衡算确定一级萃取物系的组成Xs2000 0.32000 8000.2148002000 8000.286由此可确定一级萃取物系点Mi的位置。借助辅助曲线，通过试差作图可由Mi确定一级萃取的萃取相点 Ei和萃余相点 Ri。由杠杆规则可得习题3 附图R 50 M1 34.5R 345 Mi 345 2800k

8、g1932kg5050Ei Mi Ri2800 i932 kg 868kg由附图可读得一级萃取相和萃余相的组成为y 0.ii0X 0.255M2。与由Ri的量及组成，以及所加萃取剂的量，通过物料衡算可求得二级萃取的物系点 一级萃取计算方法相同可得E2930 kgR2i800 kgy20.i0x20.23与二级萃取计算相同，可得三级萃取计算结果Ea 920 kgRa i890 kgy3 0.08x30.21N点。由杠杆规则(2 )若采用一级萃取达到同样的萃取效果，则萃取物系点为附图中的 可得F 37.5 S 26.5S 37 F375 2000kg 2830kg4.在多级错流萃取装置中, 取乙醛

9、。已知原料液的处理量为26.526.5以水为溶剂从含乙醛质量分数为6%的乙醛一甲苯混合液中提1 200kg/h，要求最终萃余相中乙醛的质量分数不大于0.5%。每级中水的用量均为 250 kg/h。操作条件下，水和甲苯可视为完全不互溶，以乙醛质量比表示的平衡关系为 Y=2.2X。试求所需的理论级数。习题4附图解：(a)直角坐标图解法在X 直角坐标图上绘出平衡曲线Y=2.2X,如附图所示。XfXf1 Xf0.061 0.060.064原料中稀释剂的量为B F 1 xF1200 1 0.06 kg h 1128kg h操作线的斜率为旦 1128S 2504.512过Xf作斜率为 4512的直线，与平

10、衡线交于 Yi,则XfYi为一级萃取的操作线。 过Yi作Y 轴的平行线，与 X轴交于Xi。过Xi作XfYi的平行线，与平衡曲线交于丫2, X1Y2即为二级萃取的操作线。同理可作以后各级萃取的操作线，其中Xi为第i级萃余相的组成，直至 Xn小于或等于所规定的组成 0.005为止。操作线的条数即为理论级数，即n=7（b）解析法由于B与S不互溶，故可采用式（10-35）计算理论级数。K 2.2Xf 0.064Xn 0.005YS 0KSB2.2 25011280.4876Xf YS KXn YS KIn 1 A,0.064 In0.005ln 1 0.4876取n=7也可采用迭代计算求理论级数。平衡

11、关系为Y 2.2Xi操作关系为丫 4.512 Xi Xi-1由此可得迭代关系为Xi 0.6722Xi-1迭代计算结果为X。Xf 0.064X10.0430X20.0289X30.0194X40.0131X50.00879X60.00591X70.00397 0.005即所需理论级数为 7级。5.在多级逆流萃取装置中，以水为溶剂从含丙酮质量分数为40%的丙酮酸乙酯混合液中提取丙酮。已知原料液的处理量为2 000kg/h，操作溶剂比（S F ）为0.9，要求最终萃余相中丙酮质量分数不大于6%,试求（1）所需的理论级数；（2）萃取液的组成和流量。操作条件下的平衡数据列于本题附表。习题5附表 丙酮（A

12、 ） 酸乙酯（B） -水 （ S）的平衡数据（质量分数）萃取相萃余相丙酮（A）醋酸乙酯（B）水（S）丙酮（A）醋酸乙酯（B）水（S）07.492.6096.33.53.28.388.54.891.04.26.08.086.09.485.65.09.58.382.213.580.56.012.89.278.016.677.26.214.89.875.420.073.07.017.510.272.322.470.07.621.211.867.027.862.010.226.415.058.632.651.013.2|r4OJI习题5附图解：（1）由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲

13、线，如附图所示。由原料组成xf=0.40，在图中确定原料相点 F。F=1000kg/h、S/F=0.9，再根据杠杆规则可确定 F、S的和点M。由最终萃取要求 Xn=0.06确定Rn。联结Rn、M，其延长线与溶解度曲线交于El, FE1、RnS两线的交点 即为操作点。借助辅助曲线作图可得El的共轭相点Ri （第一级萃取萃余相点），联结Ri 与溶解度曲线交于E2。同理可找到R2、R3 ，直至萃余相的组成小于 0.06为止，操作线的条数即为理 论级数。由作图可得n=6（2）联结S Ei,并延长交AB与E', E即为萃取液的相点，读图可得yA0.650.9 2000kg h 1800 kg h

14、M F S 2000 1800 kg h 3800 kg h由杠杆规则可得巳35.5M27E127M27 3800 kg h 2890 kg h35.535.5E72.5E129Ei2972.5289029kg h1156 kg h6.在多级逆流萃取装置中，以纯氯苯为溶剂从含吡啶质量分数为35%的吡啶水溶液中提取吡啶。操作溶剂比（S F ）为0.8，要求最终萃余相中吡啶质量分数不大于5%。操作条件下，水和氯苯可视为完全不互溶。试在XY直角坐标图上求解所需的理论级数，并求操作溶剂用量为最小用量的倍数。操作条件下的平衡数据列于本题附表。习题6附表 吡啶（A） -水（ B）-氯苯（S）的平衡数据（质

15、量分数）萃取相萃余相吡啶（A）水（B）氯苯（S）吡啶（A）水（B）氯苯（S）00.0599.95099.920.0811.050.6788.285.0294.820.1618.951.1579.9011.0588.710.2424.101.6274.4818.980.720.3828.602.2569.1525.5073.920.5831.552.8765.5836.1062.051.8535.053.5961.044.9550.874.1840.606.4053.053.2037.908.9049.013.2037.8049.013.2037.80解：将以质量分数表示的平衡数据转化为质量比表

16、示，其结果列于附表2中。习题6附表2萃取相（Y）00.1250.2370.3240.4140.4810.5750.7661.30萃余相（X）00.05290.1250.2340.3450.5820.8841.403.71由表中数据在X -直角坐标系中绘出平衡曲线，如附图中曲线Y1Y2BQ所示。0.8B0.8125S由S/F=0.8及xf =0.35可得操作线的斜率S S SF A B 35 B 65由最终萃取要求可确定点Xn,Xn0.051 Xn1 0.050.053IQ -X,ta.5ij)1.5习题6 附图过点Xn作斜率为0.8125的直线与直线X XfXf0 350.538 交于 J,则

17、 XnJ1 Xf1 0.35即为操作线。在平衡曲线与操作线之间作阶梯至X<0.053，所作的级梯数即为理论级数。由作图可得理论级数为n 3当萃取剂用量最小时，操作线的斜率最大，此时的操作线为XnB，其斜率为max47.853.8 5.30.9856SSminmax056 i.2i0.81257在25 C下，用纯溶剂 S在多级逆流萃取装置中萃取 A、B混合液中的溶质组分 A。原 料液处理量为800 kg/h，其中组分A的含量为32% （质量分数，下同），要求最终萃余相中 A 的含量不大于1.2%。采用的溶剂比（S/F ）为0.81。试求经两级萃取能否达到分离要求。操作围级的平衡关系为yA0

18、.76x0.42Ays 0.996 yAxs 0.01 0.06xAX2,a0.012，说明两级解：本题为校核型计算，但和设计性计算方法相同。若求得的 逆流萃取能满足分离要求，否则，需增加级数或调整工艺参数。（1）对萃取装置列物料衡算及平衡关系式F S；1.81F E1R21.81 800 1448(a)组分A8000.32 Ey, a0.012R2(b)组分S8000.81E1y1, sX2 , SR2(c)式中%, A0.420.76x1, a(d)y1，S0.996 y1, a(e)X2，S0.01 0.06x2,A(f)联立式（a）式(f), 得E1895kg.h, %,a O.279

19、, y1, s 0.717,R2553kg .h ,论,A 0.0903, X| , S 0.0154（1）对第理论级列物料衡算及平衡关系式FE2 R1 E1(g)组分A80C)°.32 E2y2 , A0.0903R 895 0.279(h)组分SE2 y2, S 0.0154R0.717E1(i)式中Y2,0.42A0.76x2 , A(j)y2,s 0.996 y2, a(k)联立式（g）式(k),得E21087.57 kg h,y2, A 0.0446 y2 , S 0.9514,R1607.43kg'h ,3X2, A1.1 10计算结果表明，两级逆流萃取可以达到给

20、定的分离要求。8. 在填料层高度为 3 m的填料塔，以纯S为溶剂从组分 A质量分数为1.8%的A、B两组 分混合液中提取 A。已知原料液的处理量为2 OOOkg/h，要求组分A的萃取率不低于90%，溶剂用量为最小用量的1.2倍，试求（1）溶剂的实际用量，kg/h ；（2）填料层的等板高度 HETS, m；（ 3 ）填料层的总传质单元数Noe。操作条件下，组分 B、S可视为完全不互溶，其分配曲线数据列于本题附表。习题8附表KgAKgT°.°02°.°06°.。1°.°14°.°18°.°

21、20YKgA/KgS0.00180.00520.00850.0120.01540.0171解: ( 1)Xn习题8附图由分配曲线数据在 X讦直角坐标系中绘出分配曲线,Xf XnXfXfaXf 0.018 1 0.900.0018萃取剂用量最小时的操作线为XnB,其斜率为0.0154maxS max 00180.9510.0018如附图曲线 NBQ所示。S 1.2Smin 1.2 丄1.2工12000maxmax1.210.018 kg h 2480 kg h0.951(2)操作线的斜率为；B 漳 0.792 S 1.2过点Xn作斜率为0.792之间作级梯，可得理论级数为0.29 0.2n 60.29的直线交X=Xf=0.018于J,XnJ即为操作线。在操作线与分配曲线0.096.45H HETS n(3)由附图可看出,m 0.465m36.45平衡线及操作线均为直线，因此，可采用积分计算填料层的传质单元数。由附图可求得平衡线方程为*1.54Y X 0.8556X 1.80操作线方程为Y 0951 X Xn 0.7952X 0.0014271.2 nNoeyf dYYn Y* Y0018 12.559dX00018 X 0.0226112.5591 n X0.0180.02261 | o.oo186.49. 在多级逆流萃取装置中，用三氯乙烷为溶剂从含丙酮质