化工原理第10章

第10章習題解答1在操作條件下，以純凈的氯苯為萃取劑，在單級接觸萃取器中，萃取含丙酮的水溶液。丙酮－水－氯苯三元混合液的平衡數據見本題附表。試求：⑴在直角三角形坐標系下，繪制此三元體系的相圖，其中應包括溶解度曲線、聯(lián)接線和輔助曲線；⑵若近似地將前五組數據中B與S視為不互溶，試在X—Y直角坐標圖上標繪分配曲線;⑶若丙酮水溶液質量比分數為0.4,并且mB/ms=2.0,在X—Y直角坐標圖上求丙酮在萃余相中的濃度;⑷求當水層中丙酮濃度為45％(質量%，下同)時，水與氯苯的組成以及與該水層成平衡時的氯苯層的組成;⑸由0.12kg氯苯和0.08kg水所構成的混合液中，尚需加入多少kg丙酮即可成為三元均相混合液;⑹預處理含丙酮35%的原料液800kg，并要求達到萃取平衡時，萃取相中丙酮濃度為30％，試確定萃取劑(氯苯)的用量;⑺求條件⑹下的萃取相和萃余相的量，并計算萃余相中丙酮的組成；⑻若將條件⑹時的萃取相中的溶劑全部回收，求可得萃取液的量及組成。習題1附表(質量％)水層氯苯層丙酮(A)水(B)氯苯(S)丙酮(A)水(B)氯苯(S)099.890.1100.1899.821089.790.2110.790.4988.722079.690.3122.230.7976.983069.420.5837.481.7260.804058.641.3649.443.0547.515046.283.7259.197.2433.576027.4112.5962.0722.8515.0860.5825.6613.7660.5825.6613.76解：⑴依平衡數據繪出溶解度曲線如附圖1-1所示，圖中各點代號與數據的對應關系注于附表1-1中。聯(lián)結互成平衡的兩液層組成點得化匕、E2R2、E2R2……等平衡聯(lián)結線。附表1-1(質量％)R相E相圖中的點丙酮水氯，苯圖中的點丙酮水氯，苯B099.890.11A00.1899.82R51089.790.21E510.790.4988.72R42079.690.31E422.230.7976.98R33069.420.58E337.481.7260.80R24058.641.36E249.443.0547.51R15046.283.72E159.197.2433.57P60.5825.6613.76P60.5825.6613.76由E「E2、E3……各點作平行于AB邊的直線，再由R「R2、R3……各點作平行于AS邊的

直線，兩組線分別相交于點G、H、人JK,連接P、G、H、人JK即得輔助曲線。⑵將前五組數據轉換為質量比濃度，其結果列于附表1-2中，并在X-Y直角坐標圖上標繪分配曲線，如圖1-2。附表1-2X00.1140.2510.4660.682Y00.1210.290.6161.04⑶由Xf=0.4，在圖1-2上，自點XF作斜率為-mB/ms=-2.0的直線與分配曲線相交于點T,點T的橫坐標即為丙酮在萃余相中的濃度Xr=0.25。RA（丙!H）圖1-1A（丙!H）圖1-1X（枷加）/%圖1-2⑷水層中各組分的濃度由所繪制的溶解度曲線如圖1-3，在AB邊上確定組分A的濃度為45%的點F,由點F繪直線FW平行于三角形底邊BS，則FW線上各點表示A的組成均為45%。FW與溶解度曲線左側的交點R,即代表水層中含A為45%的組成點，由圖可讀得點R組成為（質量％）:x=45%x=52.8%x=2.2%ABS

與水層相平衡的氯苯層組成利用所繪的輔助曲線從點R求出與之相平衡的氯苯層E。即由點R作as邊的平行線與輔助曲線相交于點G，由點G作直線平行于AB邊，與溶解度曲線右側相交于點E，點E即為與R成平衡的氯苯層組成點。由圖可讀出其組成為：ya=54.9% jb=4.3% js=40.8%⑸由0.12kg氯苯和0.08kg水構成的混合液，其質量分數為：x=0.08/(0.08+0.12)=40%,x=0.12/(0.08+0.12)=60%BS依以上數據在本題附圖1-3的BS邊上確定點D，聯(lián)AD線與溶解度曲線相交于點H。若加入的丙酮量可以使混合液組成點在AD線上跨過H點，則此混合液可變?yōu)榫?。依杠桿定律可確定當混合液組成點為H時所加入的丙酮量ma。計算過程如下：DH設原混合液的量為md，即MD=0.°8+0.12=0.20kgDHm AH—D= ，M=Mm DH ADAHA由本題附圖1-3量得：線段AH=19.2(單位長度)，DH=33(單位長度)，故需加入的丙酮量應略大于ma=0.200琵=。34傀⑹依原料液組成在本題附圖1-4上確定點F,聯(lián)SF線；由萃取相濃度yA=30%確定點E,并利用輔助曲線由點E作圖得點R。聯(lián)ER與FS線相交于點M。依杠桿定律可求萃取劑用量MS,即：m=M=800O竺=201kgSFMS37.8⑺?m=m+m=800+201=1001kgM FS又mMRE= M REM?:m=mMR=1001o竺=440.8kgEMRE 19.3故m=m一m=1001-440.8=560.2kgRME

由圖1-4可讀出萃余相中丙酮的組成：26%。⑻在圖1-4上連接SE,并延長與AB邊相交于點E，點E對應坐標即為萃取液的組成，由圖1-4讀得丙酮含量為95%。由圖可視R與萃余液的組成點R重合，即滿足：m+m=mR E' F???萃取液的質量為：m=mx =800x35=93.3kge‘fe'R' 30圖1-3圖1-4圖1-3圖1-42以異丙醚為萃取劑，從濃度為50％(質量分數)的醋酸水溶液中萃取醋酸。在單級萃取器中，用600kg異丙醚萃取500kg醋酸水溶液，20°C時醋酸-水-異丙醚系統(tǒng)的平衡數據如本題附表所示。試求：⑴在直角三角形相圖上繪出溶解度曲線及輔助曲線。⑵確定原料液與萃取劑混合后，混合液M的坐標位置。⑶由三角形相圖求出此混合液分為兩個平衡液層E與R后，兩液層的組成和質量。⑷上述兩液層的分配系數KA及溶劑的選擇性系數H習題2附表(質量％)在萃余相R(水層)中k在萃取相E(異丙醚層)中醋酸(A)水(B)異丙醚(S)醋酸(A)水(B)異丙醚(S)0.6998.11.20.180.599.31.497.11.50.370.798.92.795.71.60.790.898.46.491.71.91.91.097.113.384.42.34.81.993.325.571.13.411.403.984.737.058.64.421.606.971.544.345.110.631.1010.858.146.437.116.536.2015.148.7解：由題給數據作溶解度曲線及輔助曲線，如圖2。(2)由mS/mF=mf/MS=600/500=6/5，作圖得M點SF(3)借助輔助曲線，試差作圖，得點E和Ro由圖讀得E相：yA=17.8%，yB=5.0%，yS=77.2%R相：x=37%，x=60.2%，x=2.8%TOC\o"1-5"\h\zA B SmR/mE=EM/RM=2.3/5.35 ①REm+m=m=1100 ②REM聯(lián)立式①和②，解得mR=331kg,mE=769kgRE(4)kA=yA/xA=17.8%/37%=0.48俟kA/kB=(yA/xA)?(xB/yB)=(17.8/37)?(60.2/5)=5.8

/（醋酸）0(水)0.10.2 0.30.4 0.5 0.6 0.70.8 0.9S(異丙瞇)/（醋酸）圖23在25°C下，用甲基異丁基甲酮（MIBK）從含丙酮40%（質量分數）的水溶液中萃取丙酮。原料液的流量為1500kg/h。操作條件下的平衡數據見本題附表。試求：⑴當要求在單級萃取裝置中獲得最大組成的萃取液時，萃取劑的用量為多少（kg/h）?⑵若將（1）求得的萃取劑用量分作兩等份進行兩級錯流萃取，試求最終萃余相的流量和組成。⑶比較⑴、⑵兩種操作方式中丙酮的萃出率。習題3附表1溶解度曲線數據（質量％）丙酮（A）水(B)MIBK(S)丙酮（A）水(B)MIBK(S)02.297.848.418.832.84.62.393.148.524.127.418.93.977.246.642.820.624.44.671.042.645.012.428.95.565.630.964.15.037.67.854.620.975.93.243.210.746.13.794.22.147.014.838.2098.02.0習題3附表2聯(lián)結線數據（丙酮的質量％）水層MIBK層水層MIBK層5.5810.6629.540.011.8318.032.042.515.3525.536.045.520.630.538.047.023.835.341.548.0

解：⑴過S作溶解度曲線的切線，切點為E,由E點和輔助曲線確定共軛點R，連接ER與線FS相交于M點，由杠桿定律有：mS/mF=mf/MS=4.4/6.35=0.693???mS=1500x0.693=1039.37kg/hS二級錯流接觸萃取時mS1=mS2=520kg/h第一級萃取滿足關系：m/m=FM/sm=1500/520=2.88S1F11在圖上找出M1點，利用輔助曲線通過試差法，確定R1，E1?.m/m=em/ER=3.3/5.3=0.62R1M11111?.?mM1=1500+520=2020kg/h???m?=0.62x2020=1258kg/hR1第二級萃取滿足關系：mR1/mS=SM/RM=1258/520=2.42R1S212在圖上找出m2點，利用輔助曲線通過試差法，確定r2,e2???mM2=1258+520=1778kg/hME 4?mR2=m“2?ME"87=1016kg/h22萃余相R的組成由圖讀得：兀=15.2%x=81.8%xc=3%2 A B S丙酮萃取率：單級萃取：(m+m)RMy (1500+1040)x385x27%萃取率==FSREA= 65 =67.7%mx mx 1500x40%FF FF二級錯流接觸萃?。阂毁飉y+一亠my+mymx一mx萃取率= E] 1E?2—FF 篤Amx mxFF FF1500x4°%-1060x空—74.5%1500x40%由結果可知兩級錯流萃取優(yōu)于單級萃取。4在多級錯流接觸萃取裝置中，用水從含乙醛6％（質量分數，下同）由結果可知兩級錯流萃取優(yōu)于單級萃取。4在多級錯流接觸萃取裝置中，用水從含乙醛6％（質量分數，下同）的乙醛-甲苯混合液中提取乙醛。原料液的流量為120kg/h,要求最終萃余相中乙醛含量不大于0.5%。每級中水的用量均為25kg/h。操作條件下，水和甲苯可視作完全不互溶，以乙醛質量比組成表示的平衡關系為：Y=2.2X。試在直角坐標系上用作圖法和解析法分別求所需的理論級數。解：6%■F1-6%=0.064m=120kg/hm=m?(1-6%)=112.8kg/hFBFXn<0.5%/-0.5%)=1/199=0.005mS=25kg/hSbXmnSmbXmnS+BxX+Ym n-1 SSYS=0，mB/mS=112.8/25=4.512代入上式得出：Y=-4.512X+4.512Xn n n-1■:Y=2.2Xnn圖解法：首先在直角坐標系上作出分配曲線，如圖4；根據XF和YS確定L點，過L點作斜FS率為-mB/ms的操作線，與分配曲線相交于點E1(X1,Y1)，其坐標值表示離開第一級的萃取相化與萃余相R］的組成。再過化作垂直線與Y=YS線交于V(X1,YS),因各級萃取劑用量相等，通過V點作LE1的平行線與分配曲線交于點E2(X2,Y2)，此點坐標為離開第二級的萃取相e2與萃余相r2的組成。依此類推，直至萃余相組成等于或低于指定值X為止。累計所作操作線的數目即為所n求的理論級數n。圖4解析法第一級萃取相平衡關系為：Y1=KX1msYFmSB Km1+SmX+fYFmSB 令mX+fYFmSB 令Km/mB=Am則上式變?yōu)椋篨m 1 1+AmmmX+7Y 4YFmSmSB +B 對第二級萃取則有：X=(1+A)2 1+Amm同理，對第n級萃取則有：(YX—~S{FK整理上式得：”_ 1lb——ln(1+A)lnm代入已知條件：YS=0,Xf=0.064,K=2.2,Km/mB=Am=(2.2x25)/112.8=0.488(0.064、(0.064、丿ln(1+0.488)賀0.005=6.45在25°C下，以甲基異丁基甲酮(MIBK)為萃取劑，用逆流接觸萃取操作，從含有45%(質量分數)丙酮的水溶液中萃取丙酮。原料液的流量為1500kg/h,溶劑比(mSmF為0.87,要求最終萃余相中丙酮的組成不大于2.5%(質量分數)。試用直角三角形坐標求需要幾個萃取理論級?操作條件下的平衡數據見習題3附表。解：繪制相圖，如圖5。由已知：xF=0.45，mF=1500kg/h