化工原理(10)第十章 液-液萃取和液-固浸取練習(xí)題

第十章液-液萃取和液-固浸取1.25℃時(shí)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)/%）庚醇-3（B）水（S）醋酸（A）-3(B)-3(B)-3(B水（S）)3(B)醋酸（A）（B）(333(B)庚醇-3096.493.087.274.367.558.639.326.724.120.43.63.548.547.542.736.729.324.519.614.97.112.87.53.71.91.10.90.70.60.50.438.745.053.661.469.674.679.784.592.499.63.58.64.219.324.430.741.445.846.547.56.47.910.719.327.529.432.10.0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6.4庚醇-3層5.3水層庚醇-3層26.838.242.144.148.147.613.719.826.733.610.630.514.832.619.237.923.744.9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200kg醋酸、200kg庚醇-3和400kg水組成的混合液的物系點(diǎn)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(diǎn)醋酸的質(zhì)量分率為水的質(zhì)量分率為由此可確定和點(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2R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(diǎn)M將沿直線SM移動(dòng)，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?。由杠桿規(guī)則可得需蒸發(fā)的水分量為2.在單級(jí)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–庚醇-3混合液中提取醋酸。已知原料液的處理量為1000kg/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(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(jí)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2000kg，每級(jí)的異丙醚用量為800kg，操作溫度為20℃，試求（1）各級(jí)排出的萃取相和萃余相的量和組成；（2）若用一級(jí)萃取達(dá)到同樣的殘液組成，則需若干千克萃取劑。20℃時(shí)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(shí)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(jī)相醋酸（A）水（B）異丙醚（S）1.2醋酸（A）水（B）異丙醚（S）99.30.691.412.896.4213.3425.5036.744.398.197.195.591.784.471.758.945.10.180.370.791.90.50.70.81.01.93.96.910.81.598.91.698.41.997.12.34.893.33.411.421.631.184.74.471.510.658.146.4037.116.536.215.148.7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(jí)萃取物系的組成習(xí)題3附圖由此可確定一級(jí)萃取物系點(diǎn)M1的位置。借助輔助曲線，通過試差作圖可由M1確定一級(jí)萃取的萃取相點(diǎn)E1和萃余相點(diǎn)R1。由杠桿規(guī)則可得由附圖可讀得一級(jí)萃取相和萃余相的組成為由R1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(jí)萃取的物系點(diǎn)M2。與一級(jí)萃取計(jì)算方法相同可得kgkg與二級(jí)萃取計(jì)算相同，可得三級(jí)萃取計(jì)算結(jié)果kgkg（2）若采用一級(jí)萃取達(dá)到同樣的萃取效果，則萃取物系點(diǎn)為附圖中的N點(diǎn)。由杠桿規(guī)則可得習(xí)題4附圖4.在多級(jí)錯(cuò)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1200kg/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(jí)中水的用量均為250kg/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(jí)數(shù)。解：（a）直角坐標(biāo)圖解法在X–Y直角坐標(biāo)圖上繪出平衡曲線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(jí)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(jí)萃取的操作線。同理可作以后各級(jí)萃取的操作線，其中Xi為第i級(jí)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(jí)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(jí)數(shù)。取n=7也可采用迭代計(jì)算求理論級(jí)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(jì)算結(jié)果為即所需理論級(jí)數(shù)為7級(jí)。5.在多級(jí)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2000kg/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(jí)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)）萃取相萃余相醋酸乙酯（B）96.3丙酮（A）醋酸乙酯（B）水（S）丙酮（A）水（S）07.48.392.688.586.082.278.075.472.367.058.603.54.23.24.891.06.08.09.485.65.09.58.313.516.620.022.427.832.680.56.012.814.817.521.226.49.277.26.29.873.07.010.211.815.070.07.662.010.213.251.0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(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E1，F(xiàn)E1、RnS兩線的交點(diǎn)Δ即為操作點(diǎn)。借助輔助曲線作圖可得E1的共軛相點(diǎn)R1（第一級(jí)萃取萃余相點(diǎn)），聯(lián)結(jié)R1Δ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(jí)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(diǎn)，讀圖可得由杠桿規(guī)則可得6.在多級(jí)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）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劑比（互溶。試在X–Y直角坐標(biāo)圖上求解所需的理論級(jí)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)）萃取相吡啶（A）0萃余相水（B）0.05氯苯（S）吡啶（A）水（B）氯苯（S）99.9588.2879.9074.4869.1565.5861.0099.9294.8288.7180.7273.9262.0550.8737.9013.200.080.160.240.380.581.854.188.9037.8011.050.675.0218.951.1511.0518.924.101.6228.602.2525.5036.1044.9553.2049.031.552.8735.053.5940.606.4053.049.013.2037.80解：將以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的平衡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量比表示，其結(jié)果列于附表2中。習(xí)題6附表2萃取相000.1250.2370.1250.3240.2340.4140.3450.4810.5820.5750.8840.7661.401.303.71（Y）萃余相（X）0.0529由表中數(shù)據(jù)在X–Y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(diǎn)Xn，習(xí)題6附圖過點(diǎn)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X<0.053，所作的級(jí)梯數(shù)即為理論級(jí)數(shù)。由作圖可得理論級(jí)數(shù)為當(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7.在25℃下，用純?nèi)軇㏒在多級(jí)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800kg/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(jí)萃取能否達(dá)到分離要求。操作范圍內(nèi)級(jí)內(nèi)的平衡關(guān)系為解：本題為校核型計(jì)算，但和設(shè)計(jì)性計(jì)算方法相同。若求得的分離要求，否則，需增加級(jí)數(shù)或調(diào)整工藝參數(shù)。，說明兩級(jí)逆流萃取能滿足（1）對(duì)萃取裝置列物料衡算及平衡關(guān)系式（a）組分A組分S（b）（c）式中（d）（e）（f）聯(lián)立式（a）～式（f），得（1）對(duì)第一理論級(jí)列物料衡算及平衡關(guān)系式組分A（g）（h）組分S（i）式中（j）（k）聯(lián)立式（g）～式（k），得計(jì)算結(jié)果表明，兩級(jí)逆流萃取可以達(dá)到給定的分離要求。8.在填料層高度為3m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2000kg/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)。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X0.0020.0060.010.0140.0120.0180.020KgA/KgBKgA/KgSY0.00180.00520.00850.01540.0171習(xí)題8附圖解：（1）由分配曲線數(shù)據(jù)在X–Y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(shí)的操作線為XnB，其斜率為（2）操作線的斜率為；過點(diǎn)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(jí)梯，可得理論級(jí)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(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操作線方程為習(xí)題9附圖19.在多級(jí)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酮。已知原料液的處理量為4500kg/h，三氯乙烷的用量為1500kg/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x–y直角坐標(biāo)圖求解所需的理論級(jí)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(shí)需補(bǔ)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(diǎn)F；由萃取要求xn=0.05確定Rn點(diǎn)；由F=4500kg/h、S=1500kg/h，再根據(jù)杠桿規(guī)則確定F、S的和點(diǎn)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(diǎn)Δ即為操作點(diǎn)。借輔助曲線作圖可找到E1的共軛相點(diǎn)R1，聯(lián)結(jié)ΔR1并延長與溶解度曲線交于E2，同理可找到E2的共軛相點(diǎn)R2……直至Rn的組成xn達(dá)到萃取要求，其中操作線的條數(shù)即為理論級(jí)數(shù)。由作圖可得n=15（2）直角坐標(biāo)圖解在x–y直角坐標(biāo)系中繪出分配曲線，如附圖2所示。讀出三角形坐標(biāo)圖中的操作線所對(duì)應(yīng)的萃余相和萃取相的組成x、y，將其標(biāo)繪于x–y直角坐標(biāo)系中，即得到一個(gè)操作點(diǎn)，將各操作點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來即得到操作線TB。在操作線與分配曲線之間作級(jí)梯，級(jí)梯數(shù)即為理論級(jí)數(shù)，由作圖可知n=14結(jié)果與三角形坐標(biāo)圖解稍有差別，是由作圖誤差所致。習(xí)題9附圖2（2）由杠桿規(guī)則可知補(bǔ)充萃取劑的量為下課啦，咱們來放松一下，講個(gè)小故事吧:活動(dòng)目的：教育學(xué)生懂得“水”這一寶貴資源對(duì)于我們來說是極為珍貴的，每個(gè)人都要保護(hù)它，做到節(jié)約每一滴水，造福子孫萬代?；顒?dòng)過程：1.主持人上場(chǎng)，神秘地說：“我讓大家猜個(gè)謎語，你們?cè)敢鈫?？”大家回答：“愿意！”主持人口述謎語：“雙手抓不起，一刀劈不開，煮飯和洗衣，都要請(qǐng)它來。”主持人問：“誰知道這是什么？”生答：“水！”一生戴上水的頭飾上場(chǎng)說：“我就是同學(xué)們猜到的水。聽大家說，我的用處可大了，是真的嗎？”主持人：我宣布：“水”是萬物之源主題班會(huì)現(xiàn)在開始。水說：“同學(xué)們，你們知道我有多重要嗎？”齊答：“知道?！奔祝喝绻麤]有水，我們?nèi)祟惥蜔o法生存。小熊說：我們動(dòng)物可喜歡你了，沒有水我們會(huì)死掉的?；ㄕf：我們花草樹木更喜歡和你做朋友，沒有水，我們?cè)缇涂菟懒?，就不能為美化環(huán)境做貢獻(xiàn)了。主持人：下面請(qǐng)聽快板《水的用處真叫大》竹板一敲來說話，水的用處真叫大；洗衣服，洗碗筷，洗臉洗手又洗腳，煮飯洗菜又沏茶，生活處處離不開它。栽小樹，種莊稼，農(nóng)民伯伯把它夸；魚兒河馬大對(duì)蝦，日日夜夜不離它；采煤發(fā)電要靠它，京城美化更要它。主持人：同學(xué)們，聽完了這個(gè)快板，你們說水的用處大不大？甲說：看了他們的快板表演，我知道日常生活種離不了水。乙說：看了表演后，我知道水對(duì)莊稼、植物是非常重要的。丙說：我還知道水對(duì)美化城市起很大作用。2.主持人：水有這么多用處，你們?cè)撛鯓幼瞿?？?）（生）：我要節(jié)約用水，保護(hù)水源。（2）（生）：我以前把水壺剩的水隨便就到掉很不對(duì)，以后我一定把喝剩下的水倒在盆里洗手用。（3）（生）：前幾天，我看到了學(xué)校電視里轉(zhuǎn)播的“水日談水”的節(jié)目，很受教育，同學(xué)們看得可認(rèn)真了，知道了我們北京是個(gè)缺水城市，我們?cè)俨荒芾速M(fèi)水了。（4）（生）：我要用洗腳水沖廁所。3.主持人：大家談得都很好，下面誰想出題考考大家，答對(duì)了請(qǐng)給點(diǎn)掌聲。（1）（生）：小明讓爸爸刷車時(shí)把水龍頭開小點(diǎn)，請(qǐng)回答對(duì)不對(duì)。（2）（生）：小蘭告訴奶奶把洗菜水別到掉，留沖廁所用。（3）一生跑上說：主持人請(qǐng)把手機(jī)借我用用好嗎？我想現(xiàn)在就給姥姥打個(gè)電話，告訴她做飯時(shí)別把淘米水到掉了，用它沖廁所或澆花用。（電話內(nèi)容略寫）（4）一生說：主持人我們想給大家表演一個(gè)小品行嗎？主持人：可以，大家歡迎！請(qǐng)看小品《這又不是我家的》大概意思是：學(xué)校男廁所便池堵了，水龍頭又大開，水流滿地。學(xué)生甲乙丙三人分別上廁所，看見后又皺眉又罵，但都沒有關(guān)水管，嘴里還念念有詞，又說：“反正不是我家的?！迸园祝骸澳怯质钦l家的呢？”主持人：看完這個(gè)小品，你們有什么想法嗎？誰愿意給大家說說？甲：剛才三個(gè)同學(xué)太自私了，公家的水也是大家的，流掉了多可惜，應(yīng)該把水龍頭關(guān)上。乙：上次我去廁所看見水龍頭沒關(guān)就主動(dòng)關(guān)上了。主持人：我們給他鼓鼓掌，今后你們發(fā)現(xiàn)水龍頭沒關(guān)會(huì)怎樣做呢？齊：主動(dòng)關(guān)好。小記者：同學(xué)們，你們好！我想打擾一下，聽說你們正在開班會(huì)，我想采訪一下，行嗎？主持人：可以。小記者：這位同學(xué)，你好！通過參加今天的班會(huì)你有什么想法，請(qǐng)談?wù)労脝?？答：我要做?jié)水的主人，不浪費(fèi)一滴水。小記者：請(qǐng)這位同學(xué)談?wù)労脝幔看穑航裉靺⒓影鄷?huì)我知道了節(jié)約每一滴水要從我們每個(gè)人做起。我想把每個(gè)廁所都貼上“節(jié)約用水”的字條，這樣就可以提醒同學(xué)們節(jié)約用水了。小記者：你們談得很好，我的收獲也很大。我還有新任務(wù)先走了，同學(xué)們?cè)僖?！水跑上來說：同學(xué)們，今天我很高興，我“水伯伯”今天很開心，你們知道了有了我就有了生命的源泉，請(qǐng)你們今后一定節(jié)約用水呀！讓人類和動(dòng)物、植物共存，迎接美好的明天！主持人：你們還有發(fā)言的嗎？答：有。生：我代表人們謝謝你，水伯伯，節(jié)約用水就等于保護(hù)我們?nèi)祟愖约?。?dòng)物：小熊上場(chǎng)說：我代表動(dòng)物家族謝謝你了，我們也會(huì)保護(hù)你的！花草樹木跑上場(chǎng)說：我們也不會(huì)忘記你的貢獻(xiàn)！水伯伯：（手舞足蹈地跳起了舞蹈）……同學(xué)們的笑聲不斷。主持人：水伯伯，您這是干什么呢？水伯伯：因?yàn)槲姨吲d了，今后還請(qǐng)你們多關(guān)照我呀！主持人：水伯伯，請(qǐng)放心，今后我們一定會(huì)做得更好！再見！4.主持人：大家歡迎老師講話！同學(xué)們，今天我們召開的班會(huì)非常生動(dòng)，非常有意義。水是生命之源，無比珍貴，愿同學(xué)們能加倍珍惜它，做到節(jié)約一滴水，造福子孫后代。5.主持人宣布：“水”是萬物之源主題班會(huì)到此結(jié)束。6.活動(dòng)效果：此次活動(dòng)使學(xué)生明白了節(jié)約用水的道理，浪費(fèi)水的現(xiàn)象減少了，宣傳節(jié)約用水的人增多了，人人爭做節(jié)水小標(biāo)兵活動(dòng)目的：教育學(xué)生懂得“水”這一寶貴資源對(duì)于我們來說是極為珍貴的，每個(gè)人都要保護(hù)它，做到節(jié)約每一滴水，造福子孫萬代?；顒?dòng)過程：1.主持人上場(chǎng)，神秘地說：“我讓大家猜個(gè)謎語，你們?cè)敢鈫?？”大家回答：“愿意！”主持人口述謎語：“雙手抓不起，一刀劈不開，煮飯和洗衣，都要請(qǐng)它來?！敝鞒秩藛枺骸罢l知道這是什么？”生答：“水！”一生戴上水的頭飾上場(chǎng)說：“我就是同學(xué)們猜到的水。聽大家說，我的用處可大了，是真的嗎？”主持人：我宣布：“水”是萬物之源主題班會(huì)現(xiàn)在開始。水說：“