化工原理第十章液-液萃取和液-固浸取

1、1 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(xiàn)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(水（ s）0 96.4 3.6 48.5 12.8 38.7 3.5 93.0 3.5 47.5 7.5 45.0 8.6 87.2 4.2 42.7 3.7 53.6 19.3 74.3 6.4 36.7 1.9 61.4 24.4 67.5 7.9 29.3 1.1 69.6 30.7 58.6 10.7 24.5 0.9

2、74.6 41.4 39.3 19.3 19.6 0.7 79.7 45.8 26.7 27.5 14.9 0.6 84.5 46.5 24.1 29.4 7.1 0.5 92.4 47.5 20.4 32.1 0.0 0.4 99.6 習(xí)題 1 附表 2 聯(lián)結(jié)線(xiàn)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6.4 5.3 38.2 26.8 13.7 10.6 42.1 30.5 19.8 14.8 44.1 32.6 26.7 19.2 48.1 37.9 33.6 23.7 47.6 44.9 試求：（1）在直角三角形相圖上繪出溶解度曲線(xiàn)及輔助曲線(xiàn)，在直角坐標(biāo)圖上繪出分配曲線(xiàn)。

3、 （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?；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)ak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(xiàn)如附圖1 中曲線(xiàn) sephrj 所示。輔助曲線(xiàn)如附圖1 曲線(xiàn) snp 所示。分配曲線(xiàn)如附圖2 所示。（2）和點(diǎn)醋酸的質(zhì)量分率為25.0400200200200ax水的質(zhì)量分率為50.0400200200400sx由此可確定和點(diǎn)m 的位置，如附圖1 所示。由輔助曲線(xiàn)通過(guò)試差作圖可確定m 點(diǎn)的差點(diǎn)r 和 e。由杠桿規(guī)則

4、可得kg260kg80040134013mrkg540kg260800rme2 由附圖 1 可查得 e 相的組成為asb0 . 2 8 ,0 . 7 1 ,0 . 0 1yyyr 相的組成為asb0.20 ,0.06 ,0.74xxx（3）分配系數(shù)aaa0 . 2 81 . 40 . 2 0ykxbbb0 . 0 10 . 0 1 3 50 . 7 4ykx選擇性系數(shù)7.1 0 30 1 3 5.04.1bakk（4）隨水分的蒸發(fā)，和點(diǎn)m 將沿直線(xiàn)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kg5.494kg80055345534mh需蒸發(fā)的水分量為kg5

5、.305kg5.494800hm2. 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(jiàn)習(xí)題1。解： （1）物系的溶解度曲線(xiàn)及輔助曲線(xiàn)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(xiàn)， 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 1 附圖 1 習(xí)題 1 附圖 2 3

6、3 72 6fsk g1 4 2 3k g1 0 0 02 63 72 63 7fs（2）由杠桿規(guī)則可確定萃余相的量。4 91 6rmkg791kg1423100049164916mr由附圖可讀得萃取相的組成為a0 . 1 4y萃取率 =02%10000.33. 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2000 kg，每級(jí)的異丙醚用量為800 kg，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）

7、 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）醋酸（ a）水（ b）異丙醚（ s）0.69 98.1 1.2 0.18 0.5 99.3 1.41 97.1 1.5 0.37 0.7 98.9 2.89 95.5 1.6 0.79 0.8 98.4 6.42 91.7 1.9 1.9 1.0 97.1 13.34 84.4 2.3 4.8 1.9 93.3 25.50 71.7 3.4 11.4 3.9 84.7 36.7 58.9 4.4 21.6 6.9 71.5 44.

8、3 45.1 10.6 31.1 10.8 58.1 46.40 37.1 16.5 36.2 15.1 48.7 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(xiàn)及輔助曲線(xiàn)，如附圖所示。習(xí)題 2 附圖4 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a2 0 0 00 . 30 . 2 1 42 0 0 08 0 0 xs8000.2862000800 x由此可確定一級(jí)萃取物系點(diǎn)m1的位置。借助輔助曲線(xiàn)，通過(guò)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115034.5rmkg19322800kg505.34505.341mrkg86

9、8kg19322800111rme由附圖可讀得一級(jí)萃取相和萃余相的組成為110 . 1 1 00 . 2 5 5yx由 r1的量及組成，以及所加萃取劑的量，通過(guò)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2930ekg 21800rkg 220 . 1 00 . 2 3yx與二級(jí)萃取計(jì)算相同，可得三級(jí)萃取計(jì)算結(jié)果3920ekg 31890rkg 習(xí)題 3 附圖5 330 . 0 80 . 2 1yx（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3 7 . 52 6 .fsk g2 8 3 0k g2 0 0 05.2 65.3 75.2

10、65.3 7fs4. 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(jí)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(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(xiàn)y=2.2x，如附圖所示。fff0 . 0 60 . 0 6 4110 . 0 6xxx原料中稀釋劑的量為hkg1128hkg06.0112001fxfb操作線(xiàn)的斜率為11284.512250bs習(xí)題 4

11、 附圖6 過(guò) xf作斜率為 4.512 的直線(xiàn)， 與平衡線(xiàn)交于y1， 則 xfy1為一級(jí)萃取的操作線(xiàn)。過(guò) y1作 y軸的平行線(xiàn)，與x 軸交于 x1。過(guò) x1作 xfy1的平行線(xiàn)，與平衡曲線(xiàn)交于y2，x1y2即為二級(jí)萃取的操作線(xiàn)。同理可作以后各級(jí)萃取的操作線(xiàn)，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(xiàn)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)。fns2 . 20 . 0 6 40 . 0 0 50kxxym2 . 22 5 00 . 4 8 7 61128k sabfsnsm0.064ln

12、ln0.0056.4ln1ln 10.4876xykxykna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ii2.2yx操作關(guān)系為iii - 14 . 5 1 2yxx由此可得迭代關(guān)系為ii - 10 . 6 7 2 2xx迭代計(jì)算結(jié)果為0f12345670.0640.04300.02890.01940.01310.008790.005910.003970.005xxxxxxxxx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2 000kg/h ，操作溶劑比（fs）為 0.9，要求最終萃余相中丙

13、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)）7 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）0 7.4 92.6 0 96.3 3.5 3.2 8.3 88.5 4.8 91.0 4.2 6.0 8.0 86.0 9.4 85.6 5.0 9.5 8.3 82.2 13.5 80.5 6.0 12.8 9.2 78.0 16.6 77.2 6.2 14.8 9.8 75.4 20.0 73.0 7.0 17.

14、5 10.2 72.3 22.4 70.0 7.6 21.2 11.8 67.0 27.8 62.0 10.2 26.4 15.0 58.6 32.6 51.0 13.2 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(xiàn)及輔助曲線(xiàn)，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(zhǎng)線(xiàn)與溶解度曲線(xiàn)交于e1，fe1、rns兩線(xiàn)的交點(diǎn)即為操作點(diǎn)。借助輔助曲線(xiàn)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) r1與溶解度曲線(xiàn)交于 e2。

15、同理可找到r2、r3 ，直至萃余相的組成小于0.06 為止，操作線(xiàn)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(zhǎng)交ab 與 e ， e 即為萃取液的相點(diǎn)，讀圖可得a0 . 6 5yhkg1800hkg20009.0ffsshkg3800hkg18002000sfm由杠桿規(guī)則可得習(xí)題 5 附圖8 13 5 . 52 7emhkg2890hkg38005.35275.35271me17 2 . 52 9eehkg1156hkg5.722928905.72291ee6. 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。操作溶劑比（fs）為 0.

16、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)）萃取相萃余相吡啶（ a）水（ b）氯苯（ s）吡啶（ a）水（ b）氯苯（ s）0 0.05 99.95 0 99.92 0.08 11.05 0.67 88.28 5.02 94.82 0.16 18.95 1.15 79.90 11.05 88.71 0.24 24.10 1.62 74.48 18.9 80.72 0.38

17、28.60 2.25 69.15 25.50 73.92 0.58 31.55 2.87 65.58 36.10 62.05 1.85 35.05 3.59 61.0 44.95 50.87 4.18 40.60 6.40 53.0 53.20 37.90 8.90 49.0 13.20 37.80 49.0 13.20 37.80 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（ y）0 0.125 0.237 0.324 0.414 0.481 0.575 0.766 1.30 萃余相（ x）0 0.0529 0.125 0.234 0.3

18、45 0.582 0.884 1.40 3.71 由表中數(shù)據(jù)在x y 直角坐標(biāo)系中繪出平衡曲線(xiàn)，如附圖中曲線(xiàn)y1y2bq 所示。由 s /f=0.8 及 xf =0.35 可得操作線(xiàn)的斜率0 . 80 . 8 1 2 535165sssbfabsb由最終萃取要求可確定點(diǎn)xn，nnn0 . 0 50 . 0 5 3110 . 0 5xxx9 過(guò)點(diǎn) xn作斜率為0.8125 的直線(xiàn)與直線(xiàn)fff0.350.538110.35xxxx交于 j，則 xnj即為操作線(xiàn)。在平衡曲線(xiàn)與操作線(xiàn)之間作階梯至x0.053，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3n當(dāng)萃取劑用量最小時(shí)，操作線(xiàn)的斜率最大，此時(shí)的

19、操作線(xiàn)為xnb，其斜率為m a x4 7 . 80 . 9 8 5 65 3 . 85 . 3bsma xmi n0 . 9 8 5 61 . 2 10 . 8 1 2 5bssbss7.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(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0.42aa0.76yxsa0.996yysa0.010.06xx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

20、的2a0.012x，說(shuō)明兩級(jí)逆流萃取能滿(mǎn)足分離要求，否則，需增加級(jí)數(shù)或調(diào)整工藝參數(shù)。（ 1）對(duì)萃取裝置列物料衡算及平衡關(guān)系式習(xí)題 6 附圖10 121.811.818001448fsfer（a）組分 a11a28000.320.012e yr，（ b）組分 s 11s2s28000.81e yxr，（ c）式中0 . 4 21a1a0 . 7 6yx，（ d）1s1a0.996yy，（e）2s2a0.010.06xx，（f）聯(lián)立式（ a）式（ f） ，得111211895 kgh0.2790.717553 kgh0.09030.0154eyyrxx， a， s， a， s，（1）對(duì)第一理論級(jí)列

21、物料衡算及平衡關(guān)系式211fere（ g）組分 a22a18000.320.09038950.279e yr，（ h）組分 s 22s110.01540.717e yre，（i）式中0 . 4 22a2a0 . 7 6yx，（j）2s2a0.996yy，（k）聯(lián)立式（ g）式（ k） ，得22a23121087.57kgh0.04460.9514607.43 kgh1.110eyyrx， s， a，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 00

22、0kg/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)oen。操作條件下，組分b、s 可視為完全不互溶，其分配曲線(xiàn)數(shù)據(jù)列于本題附表。習(xí)題 8 附表x kga/kgb 0.002 0.006 0.01 0.014 0.018 0.020 11 ykga/kgs 0.0018 0.0052 0.0085 0.012 0.0154 0.0171 解： （1）由分配曲線(xiàn)數(shù)據(jù)在x y 直角坐標(biāo)系中繪出分配曲線(xiàn)，如附圖曲線(xiàn)nbq 所示。fnafxxxnfaf0 . 0 1

23、810 . 9 00 . 0 0 1 8xxx萃取劑用量最小時(shí)的操作線(xiàn)為xnb，其斜率為m a xm a x0 . 0 1 5 40 . 9 5 10 . 0 1 80 . 0 0 1 8bshkg2480hkg951.0018.01120002.1112.12.12.1maxfmaxminxfbss（2）操作線(xiàn)的斜率為；0 . 9 5 10 . 7 9 21 . 2bs過(guò)點(diǎn) xn作斜率為0.792 的直線(xiàn)交x=xf=0.018 于 j，xnj 即為操作線(xiàn)。 在操作線(xiàn)與分配曲線(xiàn)之間作級(jí)梯，可得理論級(jí)數(shù)為0 . 2 90 . 266 . 4 50 . 2 90 . 0 9nm4 6 5.0m4 5.63nhh e t s（3）由附圖可看出，平衡線(xiàn)及操作線(xiàn)均為直線(xiàn)，因此，可采用積分計(jì)算填料層的傳質(zhì)單元數(shù)。習(xí)題 8 附圖12 由附圖可求得平衡線(xiàn)方程為*1 . 5 40 . 8 5 5 61 . 8 0yxx操作線(xiàn)方程為n0 . 9 5 10 . 7 9 5 20 . 0 0 1 4 2 71 . 2yxxxfn0 . 0 1 80 . 0 1 8o e0 . 0 0 1 8*0 . 0 0 1 81 2 . 5 5 9 d1 2 . 5 5 9 l n0 . 0 2 2 6 16 . 40 . 0 2