化工原理第十章

1、第十章 液-液萃取和液-固浸取1.25C時(shí)醋酸（A）戻醇-3 （B） -水（ S）的平衡數(shù)據(jù)如本題附表所示。 習(xí)題1附表1溶解度曲線數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）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習(xí)題1附表2聯(lián)結(jié)線數(shù)據(jù)（醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %）水 層r庚醇-3層水 層庚醇-3層6.45.338.226.813.710.642.130.519.814.844.132.626.719.248.137.933.623.747.644.9試求：（1）在直角三角形相圖上繪出溶解度曲線及輔助曲線，在直角坐標(biāo)圖上繪出分配曲線。（2）確定由200 kg醋酸、200 kg庚醇-3和400 kg水組成的混合液的物系點(diǎn)位置。混合液經(jīng)充分混合并靜置分層后，確定兩共軛相的組成和質(zhì)量。（3 ）上述兩液層的分配系數(shù) kA及解：（1）溶解度曲線如

3、附圖 分配曲線如附圖2所示。選擇性系數(shù) 。（4）從上述混合液中蒸出多少千克水才能成為均相溶液?1中曲線SEPHRJ所示。輔助曲線如附圖 1曲線SNP所示。（2）和點(diǎn)醋酸的質(zhì)量分率為0.25200XA200 200 400水的質(zhì)量分率為Xs400200 200 4000.50由此可確定和點(diǎn) M的位置，如附圖1所示。由輔助曲線通過試差作圖可確定M點(diǎn)的差點(diǎn)R和E。由杠桿規(guī)則可得13R M4013800kg260kg40E M R 800 260 kg 540kg習(xí)題1附圖1習(xí)題1附圖2由附圖1可查得E相的組成為yA0.28,ys0.71,y0.01R相的組成為XA0.20,Xs0.06,Xb0.74

4、竺1.40.20（3）分配系數(shù)kA仏Xa0.0135. yB 0.01 kBXb 0.74選擇性系數(shù)（4）隨水分的蒸發(fā)，和點(diǎn) M將沿直線SM移動，當(dāng)M點(diǎn)到達(dá)H點(diǎn)時(shí)，物系分層消失，即 變?yōu)榫辔锵怠Ｓ筛軛U規(guī)則可得3434H M800kg494.5kg5555需蒸發(fā)的水分量為M H 800 494.5 kg 305.5 kg2.在單級萃取裝置中，以純水為溶劑從含醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%的醋酸 殃醇-3混合液中提 取醋酸。已知原料液的處理量為 1 000 kg/h ,要求萃余相中醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于 10%。試（1） 水的用量；（2）萃余相的量及醋酸的萃取率。操作條件下的平衡數(shù)據(jù)見習(xí)題1。解：（1）物

5、系的溶解度曲線及輔助曲線如附圖所示。由原料組成xf=0.3可確定原料的相點(diǎn) F,由萃余相的組成 xa=0.1可確定萃余相的相點(diǎn) R。借 助輔助曲線，由R可確定萃取相的相點(diǎn) E。聯(lián)結(jié)RE、FS,則其交點(diǎn)M即為萃取操作的物系點(diǎn)。 由杠桿規(guī)則可得F 37 S 2637261000kg1423kg26（2）由杠桿規(guī)則可確定萃余相的量。R4910001423 kg 791kg49由附圖可讀得萃取相的組成為yA0.140.142423 791萃取率=76.2%1000 0.33.在三級錯(cuò)流萃取裝置中，以純異丙醚為溶劑從含醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的醋酸水溶液中提取醋酸。已知原料液的處理量為2000 kg，每級的

6、異丙醚用量為800 kg，操作溫度為20 C,試求（1）各級排出的萃取相和萃余相的量和組成；（2）若用一級萃取達(dá)到同樣的殘液組成，則需若干千克萃取劑。20 C時(shí)醋酸（A ） -水（ B）埠丙醚（S）的平衡數(shù)據(jù)如下：習(xí)題3附表 20 C時(shí)醋酸（A） -水（ B）塀丙醚（S）的平衡數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）水相有機(jī)相醋酸（A）水（B）異丙醚（S）醋酸（A）水（B）異丙醚（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：由平衡數(shù)據(jù)在直角三角形坐標(biāo)圖上繪出溶解度曲線及輔助曲線，如附圖所示。由原料組成xf=0.3，在圖中確定原料相點(diǎn)F。由物料衡算確定一級萃取物系的組成Xs2000 0.32000 8000.2148002000 8000.286由此可確定一級萃取物系點(diǎn)Mi的位置。借助輔助曲線，通過試差作圖可由Mi確定一級萃取的萃取相點(diǎn) Ei和萃余相點(diǎn) Ri。由杠桿規(guī)則可得習(xí)題3 附圖R 50 M1 34.5R 345 Mi 345 2800k

8、g1932kg5050Ei Mi Ri2800 i932 kg 868kg由附圖可讀得一級萃取相和萃余相的組成為y 0.ii0X 0.255M2。與由Ri的量及組成，以及所加萃取劑的量，通過物料衡算可求得二級萃取的物系點(diǎn) 一級萃取計(jì)算方法相同可得E2930 kgR2i800 kgy20.i0x20.23與二級萃取計(jì)算相同，可得三級萃取計(jì)算結(jié)果Ea 920 kgRa i890 kgy3 0.08x30.21N點(diǎn)。由杠桿規(guī)則(2 )若采用一級萃取達(dá)到同樣的萃取效果，則萃取物系點(diǎn)為附圖中的 可得F 37.5 S 26.5S 37 F375 2000kg 2830kg4.在多級錯(cuò)流萃取裝置中, 取乙醛

9、。已知原料液的處理量為26.526.5以水為溶劑從含乙醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的乙醛一甲苯混合液中提1 200kg/h，要求最終萃余相中乙醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%。每級中水的用量均為 250 kg/h。操作條件下，水和甲苯可視為完全不互溶，以乙醛質(zhì)量比表示的平衡關(guān)系為 Y=2.2X。試求所需的理論級數(shù)。習(xí)題4附圖解：(a)直角坐標(biāo)圖解法在X 直角坐標(biāo)圖上繪出平衡曲線Y=2.2X,如附圖所示。XfXf1 Xf0.061 0.060.064原料中稀釋劑的量為B F 1 xF1200 1 0.06 kg h 1128kg h操作線的斜率為旦 1128S 2504.512過Xf作斜率為 4512的直線，與平

10、衡線交于 Yi,則XfYi為一級萃取的操作線。 過Yi作Y 軸的平行線，與 X軸交于Xi。過Xi作XfYi的平行線，與平衡曲線交于丫2, X1Y2即為二級萃取的操作線。同理可作以后各級萃取的操作線，其中Xi為第i級萃余相的組成，直至 Xn小于或等于所規(guī)定的組成 0.005為止。操作線的條數(shù)即為理論級數(shù)，即n=7（b）解析法由于B與S不互溶，故可采用式（10-35）計(jì)算理論級數(shù)。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也可采用迭代計(jì)算求理論級數(shù)。平衡

11、關(guān)系為Y 2.2Xi操作關(guān)系為丫 4.512 Xi Xi-1由此可得迭代關(guān)系為Xi 0.6722Xi-1迭代計(jì)算結(jié)果為X。Xf 0.064X10.0430X20.0289X30.0194X40.0131X50.00879X60.00591X70.00397 0.005即所需理論級數(shù)為 7級。5.在多級逆流萃取裝置中，以水為溶劑從含丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的丙酮酸乙酯混合液中提取丙酮。已知原料液的處理量為2 000kg/h，操作溶劑比（S F ）為0.9，要求最終萃余相中丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于6%,試求（1）所需的理論級數(shù)；（2）萃取液的組成和流量。操作條件下的平衡數(shù)據(jù)列于本題附表。習(xí)題5附表 丙酮（A

12、 ） 酸乙酯（B） -水 （ S）的平衡數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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習(xí)題5附圖解：（1）由平衡數(shù)據(jù)在直角三角形坐標(biāo)圖上繪出溶解度曲線及輔助曲

13、線，如附圖所示。由原料組成xf=0.40，在圖中確定原料相點(diǎn) F。F=1000kg/h、S/F=0.9，再根據(jù)杠桿規(guī)則可確定 F、S的和點(diǎn)M。由最終萃取要求 Xn=0.06確定Rn。聯(lián)結(jié)Rn、M，其延長線與溶解度曲線交于El, FE1、RnS兩線的交點(diǎn) 即為操作點(diǎn)。借助輔助曲線作圖可得El的共軛相點(diǎn)Ri （第一級萃取萃余相點(diǎn)），聯(lián)結(jié)Ri 與溶解度曲線交于E2。同理可找到R2、R3 ，直至萃余相的組成小于 0.06為止，操作線的條數(shù)即為理 論級數(shù)。由作圖可得n=6（2）聯(lián)結(jié)S Ei,并延長交AB與E', E即為萃取液的相點(diǎn)，讀圖可得yA0.650.9 2000kg h 1800 kg h

14、M F S 2000 1800 kg h 3800 kg h由杠桿規(guī)則可得巳35.5M27E127M27 3800 kg h 2890 kg h35.535.5E72.5E129Ei2972.5289029kg h1156 kg h6.在多級逆流萃取裝置中，以純氯苯為溶劑從含吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的吡啶水溶液中提取吡啶。操作溶劑比（S F ）為0.8，要求最終萃余相中吡啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%。操作條件下，水和氯苯可視為完全不互溶。試在XY直角坐標(biāo)圖上求解所需的理論級數(shù)，并求操作溶劑用量為最小用量的倍數(shù)。操作條件下的平衡數(shù)據(jù)列于本題附表。習(xí)題6附表 吡啶（A） -水（ B）-氯苯（S）的平衡數(shù)據(jù)（質(zhì)

15、量分?jǐn)?shù)）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：將以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的平衡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量比表

16、示，其結(jié)果列于附表2中。習(xí)題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由表中數(shù)據(jù)在X -直角坐標(biāo)系中繪出平衡曲線，如附圖中曲線Y1Y2BQ所示。0.8B0.8125S由S/F=0.8及xf =0.35可得操作線的斜率S S SF A B 35 B 65由最終萃取要求可確定點(diǎn)Xn,Xn0.051 Xn1 0.050.053IQ -X,ta.5ij)1.5習(xí)題6 附圖過點(diǎn)Xn作斜率為0.8125的直線與直線X XfXf0 350.538 交于 J,則

17、 XnJ1 Xf1 0.35即為操作線。在平衡曲線與操作線之間作階梯至X<0.053，所作的級梯數(shù)即為理論級數(shù)。由作圖可得理論級數(shù)為n 3當(dāng)萃取劑用量最小時(shí)，操作線的斜率最大，此時(shí)的操作線為XnB，其斜率為max47.853.8 5.30.9856SSminmax056 i.2i0.81257在25 C下，用純?nèi)軇?S在多級逆流萃取裝置中萃取 A、B混合液中的溶質(zhì)組分 A。原 料液處理量為800 kg/h，其中組分A的含量為32% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），要求最終萃余相中 A 的含量不大于1.2%。采用的溶劑比（S/F ）為0.81。試求經(jīng)兩級萃取能否達(dá)到分離要求。操作圍級的平衡關(guān)系為yA0

18、.76x0.42Ays 0.996 yAxs 0.01 0.06xAX2,a0.012，說明兩級解：本題為校核型計(jì)算，但和設(shè)計(jì)性計(jì)算方法相同。若求得的 逆流萃取能滿足分離要求，否則，需增加級數(shù)或調(diào)整工藝參數(shù)。（1）對萃取裝置列物料衡算及平衡關(guān)系式F S；1.81F E1R21.81 800 1448(a)組分A8000.32 Ey, a0.012R2(b)組分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)聯(lián)立式（a）式(f), 得E1895kg.h, %,a O.279

19、, y1, s 0.717,R2553kg .h ,論,A 0.0903, X| , S 0.0154（1）對第理論級列物料衡算及平衡關(guān)系式FE2 R1 E1(g)組分A80C)°.32 E2y2 , A0.0903R 895 0.279(h)組分SE2 y2, S 0.0154R0.717E1(i)式中Y2,0.42A0.76x2 , A(j)y2,s 0.996 y2, a(k)聯(lián)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計(jì)算結(jié)果表明，兩級逆流萃取可以達(dá)到給

20、定的分離要求。8. 在填料層高度為 3 m的填料塔，以純S為溶劑從組分 A質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%的A、B兩組 分混合液中提取 A。已知原料液的處理量為2 OOOkg/h，要求組分A的萃取率不低于90%，溶劑用量為最小用量的1.2倍，試求（1）溶劑的實(shí)際用量，kg/h ；（2）填料層的等板高度 HETS, m；（ 3 ）填料層的總傳質(zhì)單元數(shù)Noe。操作條件下，組分 B、S可視為完全不互溶，其分配曲線數(shù)據(jù)列于本題附表。習(xí)題8附表KgAKgT°.°02°.°06°.。1°.°14°.°18°.°

21、20YKgA/KgS0.00180.00520.00850.0120.01540.0171解: ( 1)Xn習(xí)題8附圖由分配曲線數(shù)據(jù)在 X訐直角坐標(biāo)系中繪出分配曲線,Xf XnXfXfaXf 0.018 1 0.900.0018萃取劑用量最小時(shí)的操作線為XnB,其斜率為0.0154maxS max 00180.9510.0018如附圖曲線 NBQ所示。S 1.2Smin 1.2 丄1.2工12000maxmax1.210.018 kg h 2480 kg h0.951(2)操作線的斜率為；B 漳 0.792 S 1.2過點(diǎn)Xn作斜率為0.792之間作級梯，可得理論級數(shù)為0.29 0.2n 60.29的直線交X=Xf=0.018于J,XnJ即為操作線。在操作線與分配曲線0.096.45H HETS n(3)由附圖可看出,m 0.465m36.45平衡線及操作線均為直線，因此，可采用積分計(jì)算填料層的傳質(zhì)單元數(shù)。由附圖可求得平衡線方程為*1.54Y X 0.8556X 1.80操作線方程為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. 在多級逆流萃取裝置中，用三氯乙烷為溶劑從含丙酮質(zhì)