化工原理第十章-液-液萃取和液-固浸取

1、第十章 液-液萃取和液-固浸取 1. 25時醋酸（A）庚醇-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）(333(B)水（S）醋酸（A）庚 醇-3（B） -3(B)-3(B)-3(B) 3(B)水（S）096.43.648.512.838.73.593.03.547.57.545.08.687.24.242.73.753.619.374.36.436.71.961.424.467.57.929.31.169.630.758.610.724.50.974.641.439.319.319.60.779.745.826.727.51

2、4.90.684.546.524.129.47.10.592.447.520.432.10.00.499.6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位置?；旌弦航?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

3、分配系數(shù)及選擇性系數(shù)。（4）從上述混合液中蒸出多少千克水才能成為均相溶液？ 解：（1）溶解度曲線如附圖1中曲線SEPHRJ所示。輔助曲線如附圖1曲線SNP所示。分配曲線如附圖2 所示。 （2）和點醋酸的質(zhì)量分率為 水的質(zhì)量分率為 由此可確定和點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點的差點R和E。由杠桿規(guī)則可得 由附圖1可查得E相的組成為習(xí)題1 附圖1 習(xí)題1 附圖2 R相的組成為 （3）分配系數(shù) 選擇性系數(shù) （4）隨水分的蒸發(fā)，和點M將沿直線SM移動，當(dāng)M點到達(dá)H點時，物系分層消失，即變?yōu)榫辔锵?。由杠桿規(guī)則可得 需蒸發(fā)的水分量為 2. 在單級萃取裝置中，以純水為溶劑從含醋酸

4、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的醋酸庚醇-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F，由萃余相的組成xA=0.1可確定萃余相的相點R。借助輔助曲線，由R可確定萃取相的相點E。聯(lián)結(jié)RE、FS，則其交點M即為萃取操作的物系點。由杠桿規(guī)則可得 習(xí)題2 附圖 （2）由杠桿規(guī)則可確定萃余相的量。 由附圖可讀得萃取相的組成為 萃取率= 3. 在三級錯流萃取裝置中，以純異丙醚為溶劑從含醋酸質(zhì)量分

5、數(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，每級的異丙醚用量為800 kg，操作溫度為20 ，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 時醋酸（A）水（B）異丙醚（S）的平衡數(shù)據(jù)如下：習(xí)題3附表 20 時醋酸（A）水（B）異丙醚（S）的平衡數(shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水 相有 機 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.

6、113.3484.42.34.81.993.325.5071.73.411.43.984.736.758.94.421.66.971.544.345.110.631.110.858.146.4037.116.536.215.148.7 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F。由物料衡算確定一級萃取物系的組成 習(xí)題3 附圖 由此可確定一級萃取物系點M1的位置。借助輔助曲線，通過試差作圖可由M1確定一級萃取的萃取相點E1和萃余相點R1。由杠桿規(guī)則可得 由附圖可讀得一級萃取相和萃余相的組成為 由R1的量及組成，以及所加萃

7、取劑的量，通過物料衡算可求得二級萃取的物系點M2。與一級萃取計算方法相同可得 kg kg 與二級萃取計算相同，可得三級萃取計算結(jié)果 kg kg （2）若采用一級萃取達(dá)到同樣的萃取效果，則萃取物系點為附圖中的N點。由杠桿規(guī)則可得 習(xí)題4 附圖 4. 在多級錯流萃取裝置中，以水為溶劑從含乙醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的乙醛甲苯混合液中提取乙醛。已知原料液的處理量為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)。 解：（a）直角坐標(biāo)圖解法 在XY直角坐標(biāo)圖上繪

8、出平衡曲線Y=2.2X，如附圖所示。 原料中稀釋劑的量為 操作線的斜率為 過XF作斜率為4.512的直線，與平衡線交于Y1，則XFY1為一級萃取的操作線。過Y1作Y軸的平行線，與X軸交于X1。過X1作XFY1的平行線，與平衡曲線交于Y2，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（1035）計算理論級數(shù)。 取n=7 也可采用迭代計算求理論級數(shù)。平衡關(guān)系為 操作關(guān)系為 由此可得迭代關(guān)系為 迭代計算結(jié)果為 即所需理論級數(shù)為7級

9、。 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%的丙酮醋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（）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）醋酸乙酯（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）07.492.6096.33.53.28.388.54.891.04.26.08.086.09.485.65.09.58.382.213.580.56.012.8

10、9.278.016.677.26.214.89.875.420.073.07.017.510.272.322.470.07.621.211.867.027.862.010.226.415.058.632.651.013.2 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線，如附圖所示。習(xí)題5 附圖由原料組成xF=0.40，在圖中確定原料相點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E1，F(xiàn)E1、RnS兩線的交點即為操作點。 借助輔助曲線作圖可得E1的共軛相點R1（第一

11、級萃取萃余相點），聯(lián)結(jié)R1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、E1，并延長交AB與E，E即為萃取液的相點，讀圖可得 由杠桿規(guī)則可得 6. 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（）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)量分?jǐn)?shù)）萃

12、 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

13、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XY直角坐標(biāo)系中繪出平衡曲線，如附圖中曲線Y1Y2BQ所示。 由S/F=0.8及xF =0.35可得操作線的斜率 由最終萃取要求可確定點Xn， 習(xí)題6 附圖 過點Xn作斜率為0.8125的直線與直線交于J，則XnJ即為操作線。在平衡曲線與操作線之間作階梯至X0.053，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 當(dāng)萃取劑用量最小時，操作線的斜率最大，此時的操

14、作線為XnB，其斜率為 7.在25 下，用純?nèi)軇㏒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。 操作范圍內(nèi)級內(nèi)的平衡關(guān)系為解：本題為校核型計算，但和設(shè)計性計算方法相同。若求得的，說明兩級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 （a）組分A （b）組分S （c）式中 （d） （e） （f）聯(lián)立式（a）式（f），得（1）對第一理論級列物料衡算及平衡關(guān)系式

15、（g）組分A （h）組分S （i）式中 （j） （k）聯(lián)立式（g）式（k），得計算結(jié)果表明，兩級逆流萃取可以達(dá)到給定的分離要求。 8. 在填料層高度為3 m的填料塔內(nèi)，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 000kg/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)。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 X KgA/KgB0.0020.0060.010.0140.0180.020 Y

16、 KgA/KgS0.00180.00520.00850.0120.01540.0171習(xí)題8 附圖 解：（1）由分配曲線數(shù)據(jù)在XY直角坐標(biāo)系中繪出分配曲線，如附圖曲線NBQ所示。 萃取劑用量最小時的操作線為XnB，其斜率為 （2）操作線的斜率為； 過點Xn作斜率為0.792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之間作級梯，可得理論級數(shù)為 （3）由附圖可看出，平衡線及操作線均為直線，因此，可采用積分計算填料層的傳質(zhì)單元數(shù)。由附圖可求得平衡線方程為 操作線方程為 習(xí)題9 附圖1 9. 在多級逆流萃取裝置中，用三氯乙烷為溶劑從含丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的丙酮水溶液中提取丙

17、酮。已知原料液的處理量為4 500 kg/h，三氯乙烷的用量為1 500 kg/h，要求最終萃余相中丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%，試求（1）分別用三角形相圖和xy直角坐標(biāo)圖求解所需的理論級數(shù)；（2）若從萃取相中脫除的三氯乙烷循環(huán)使用（假設(shè)其中不含水和丙酮），每小時需補充解：（1）三角形坐標(biāo)圖解 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1所示。由原料組成xF =0.35確定原料的相點F；由萃取要求xn =0.05確定Rn點；由F=4 500kg/h、S=1 500kg/h，再根據(jù)杠桿規(guī)則確定F、S的和點M。聯(lián)結(jié)RnM并延長與溶解度曲線交于E1，則E1F和SRn的交點即為操作點。借輔助曲線作圖可找到E1的共軛相點R1，聯(lián)結(jié)R1并延長與溶解度曲線交于E2，同理可找