化工基礎(chǔ)學(xué)習(xí)知識(shí)原理第10章

1、.第 10 章習(xí)題解答1 在操作條件下，以純凈的氯苯為萃取劑，在單級(jí)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(shù)據(jù)見(jiàn)本題附表。試求：在直角三角形坐標(biāo)系下，繪制此三元體系的相圖，其中應(yīng)包括溶解度曲線、聯(lián)接線和輔助曲線；若近似地將前五組數(shù)據(jù)中 B 與 S 視為不互溶，試在 XY 直角坐標(biāo)圖上標(biāo)繪分配曲線；若丙酮水溶液質(zhì)量比分?jǐn)?shù)為 0.4，并且 mB/mS=2.0，在 XY 直角坐標(biāo)圖上求丙酮在萃余相中的濃度；求當(dāng)水層中丙酮濃度為 45（質(zhì)量 %，下同）時(shí)，水與氯苯的組成以及與該水層成平衡時(shí)的氯苯層的組成；由 0.12kg 氯苯和 0.08kg 水所構(gòu)成的混合液中，尚需加入多少 k

2、g 丙酮即可成為三元均相混合液；預(yù)處理含丙酮35的原料液800kg ，并要求達(dá)到萃取平衡時(shí)，萃取相中丙酮濃度為30，試確定萃取劑（氯苯）的用量；求條件下的萃取相和萃余相的量，并計(jì)算萃余相中丙酮的組成；若將條件時(shí)的萃取相中的溶劑全部回收，求可得萃取液的量及組成。習(xí)題 1 附表 (質(zhì)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

3、.515046.283.7259.197.2433.576027.4112.5962.0722.8515.0860.5825.6613.7660.5825.6613.76解： 依平衡數(shù)據(jù)繪出溶解度曲線如附圖1-1 所示，圖中各點(diǎn)代號(hào)與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系注于附表 1-1 中。聯(lián)結(jié)互成平衡的兩液層組成點(diǎn)得E1R1、 E2 R2 、E2R2 等平衡聯(lián)結(jié) 線。附表 1-1(質(zhì)量 %)R 相E 相圖中的點(diǎn)丙酮水氯苯圖中的點(diǎn)丙酮水氯苯B099.890.11A00.1899.82R51089.790.21E510.790.4988.72R42079.690.31E422.230.7976.98R33069.42

4、0.58E337.481.7260.80R24058.641.36E249.443.0547.51R15046.283.72E159.197.2433.57P60.5825.6613.76P60.5825.6613.76由 E1、 E 、 E各點(diǎn)作平行于 AB 邊的直線，再由R 、R 、R各點(diǎn)作平行于 AS邊的23123直線，兩組線分別相交于點(diǎn)G、 H、 I、 J、 K，連接P、 G、 H、 I、 J、 K 即得輔助曲線。將前五組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量比濃度，其結(jié)果列于附表1-2 中，并在 X Y 直角坐標(biāo)圖上標(biāo)繪分配曲線，如圖 1-2。.附表 1-2X00.1140.2510.4660.682Y00

5、.1210.290.6161.04由 XF=0.4，在圖 1-2上，自點(diǎn) XF 作斜率為 mB/mS= 2.0 的直線與分配曲線相交于點(diǎn)T，點(diǎn) T 的橫坐標(biāo)即為丙酮在萃余相中的濃度XR。=0.25圖 1-1圖 1-2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(diǎn) F，由點(diǎn) F 繪直線 FW 平行于三角形底邊BS，則 FW 線上各點(diǎn)表示 A 的組成均為45。 FW 與溶解度曲線左側(cè)的交點(diǎn) R，即代表水層中含A 為 45的組成點(diǎn)，由圖可讀得點(diǎn)R 組成為 (質(zhì)量 )：xA=45 xB =52.8xS=2.2與水層相平衡的氯苯層組成利用所繪的輔助曲線從點(diǎn)R

6、 求出與之相平衡的氯苯層E。即由點(diǎn) R 作 AS 邊的平行線與輔助曲線相交于點(diǎn)G，由點(diǎn) G 作直線平行于AB 邊，與溶解度曲線右側(cè)相交于點(diǎn)E，點(diǎn) E 即為與R 成平衡的氯苯層組成點(diǎn)。由圖可讀出其組成為：y=54.9 y =4.3y =40.8ABS由 0.12kg 氯苯和 0.08kg 水構(gòu)成的混合液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：x =0.08/(0.08+0.12)=40 ,x =0.12/(0.08+0.12)=60 BS依以上數(shù)據(jù)在本題附圖1-3 的 BS 邊上確定點(diǎn) D，聯(lián) AD 線與溶解度曲線相交于點(diǎn) H。若加入的丙酮量可以使混合液組成點(diǎn)在AD 線上跨過(guò) H 點(diǎn)，則此混合液可變?yōu)榫唷Ｒ栏軛U定律可

7、確定當(dāng)混合液組成點(diǎn)為H 時(shí)所加入的丙酮量mA。計(jì)算過(guò)程如下：設(shè)原混合液的量為 mD，即 mD=0.08+0.12=0.20kgmDA H ,mA mD D HmAD HA H.由本題附圖1-3 量得：線段 AH =19.2 （單位長(zhǎng)度）， D H =33（單位長(zhǎng)度） ，故需加入的丙酮量應(yīng)略大于mA0.20330.344kg19.2依原料液組成在本題附圖1-4 上確定點(diǎn) F，聯(lián) SF 線；由萃取相濃度yA=30 確定點(diǎn) E，并利用輔助曲線由點(diǎn)E 作圖得點(diǎn) R。聯(lián) ER 與 FS 線相交于點(diǎn) M。依杠桿定律可求萃取劑用量m ，即：SmSF M8009.5201kgmFMS37.8 mMmFmS 8

8、00201 1001kg又 mE MR mM RE mE mMM R8.5440.8kgRE100119.3故 mR mMmE1001 440.8 560.2kg由圖 1-4 可讀出萃余相中丙酮的組成：26%。在圖 1-4 上連接 SE，并延長(zhǎng)與 AB 邊相交于點(diǎn) E ，點(diǎn) E 對(duì)應(yīng)坐標(biāo)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(diǎn)R 重合，即滿足：mR mE mF萃取液的質(zhì)量為：mEmFF R8003.593.3kgE R30圖 1-3圖 1-4.2 以異丙醚為萃取劑，從濃度為 50 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) )的醋酸水溶液中萃取醋酸。在單級(jí)萃取器中，用 600kg

9、異丙醚萃取 500kg 醋酸水溶液， 20時(shí)醋酸 -水 -異丙醚系統(tǒng)的平衡數(shù)據(jù)如本題附表所示。試求：在直角三角形相圖上繪出溶解度曲線及輔助曲線。確定原料液與萃取劑混合后，混合液M 的坐標(biāo)位置。由三角形相圖求出此混合液分為兩個(gè)平衡液層E 與 R 后，兩液層的組成和質(zhì)量。上述兩液層的分配系數(shù)K A 及溶劑的選擇性系數(shù) 。習(xí)題 2 附表 (質(zhì)量 %)在萃余相 R(水層 )中在萃取相 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

10、.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：（ 1）由題給數(shù)據(jù)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(diǎn)（3）借助輔助曲線，試差作圖，得點(diǎn)E和 R。由圖讀得 E 相： yA=17.8% ，yB =5.0%， yS=77.2%R 相： xA =37% ，xB =60.2%， xS=2.8%m /

11、m = EM / RM =2.3/5.35R Em +m =m=1100REM聯(lián)立式 和 ，解得 mR=331kg ， mE=769kg（ 4） kA = yA/ xA =17.8%/37%=0.48= kA/kB= ( yA / xA ) (xB / yB)=(17.8/37)（ 60.2/5） =5.8.圖 23 在 25下，用甲基異丁基甲酮（ MIBK ）從含丙酮 40 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) )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(shù)據(jù)見(jiàn)本題附表。試求：當(dāng)要求在單級(jí)萃取裝置中獲得最大組成的萃取液時(shí)，萃取劑的用量為多少 (kg/h)? 若將求得的萃取劑用量分作兩等份進(jìn)

12、行兩級(jí)錯(cuò)流萃取，試求最終萃余相的流量和組成。比較、兩種操作方式中丙酮的萃出率。習(xí)題 3 附表 1溶解度曲線數(shù)據(jù)(質(zhì)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(xí)題 3附表 2聯(lián)結(jié)線數(shù)據(jù) (丙酮的質(zhì)量 %)水 層MIB

13、K 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：(1) 過(guò) S 作溶解度曲線的切線，切點(diǎn)為E，由 E 點(diǎn)和輔助曲線確定共軛點(diǎn)R，連接 ER 與線FS 相交于 M 點(diǎn)，由杠桿定律有：m /m =MF/ MS =4.4/6.35=0.693S FmS =1500 0.693=1039.37kg/h(2) 二級(jí)錯(cuò)流接觸萃取時(shí)mS1=mS2=520kg/h第一級(jí)萃取滿足關(guān)系：mS1/mF = FM/ SM=1500/520=2.8811在圖上找出 M 1

14、點(diǎn)，利用輔助曲線通過(guò)試差法，確定R1， E1 mR1/mM1 = E1M1 / E1R1 =3.3/5.3=0.62mM1 =1500+520=2020 kg/hmR1=0.62 2020=1258 kg/h第二級(jí)萃取滿足關(guān)系：mR1/mS=SM2/RM2=1258/520=2.421在圖上找出 M 2點(diǎn)，利用輔助曲線通過(guò)試差法，確定R2， E2mM2 =1258+520=1778 kg/hmR2= mM2M2 E2=17784 =1016 kg/hR2 E27萃余相 R2 的組成由圖讀得： xA =15.2%xB=81.8%xS=3%(3) 丙酮萃取率：?jiǎn)渭?jí)萃取：RM3.85萃取率 =mE

15、y AmFmS REyA1500 10406.527%mF x FmF xF150040%67.7%二級(jí)錯(cuò)流接觸萃?。狠腿÷?=mE1 y1mE 2 y2mF x FmR2 x A 150040% 1060 15.2%mF xFmF x F150074.5%40%由結(jié)果可知兩級(jí)錯(cuò)流萃取優(yōu)于單級(jí)萃取。.圖 34 在多級(jí)錯(cuò)流接觸萃取裝置中，用水從含乙醛 6 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(jí)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(zhì)量比組成表示的平衡關(guān)系為：Y=2.2

16、X 。試在直角坐標(biāo)系上用作圖法和解析法分別求所需的理論級(jí)數(shù)。解：X FxF6%0.064xF 16%1mF=120kg/hmB = mF(1-6%)=112.8 kg/hX 0.5%/(1-0.5%)=1/199=0.005nmS=25 kg/hYnmB X nmBX n 1YSmSmSYS=0， mB/mS =112.8/25=4.512代入上式得出：Yn=-4.512Xn+4.512 Xn-1Yn=2.2 Xn圖解法：首先在直角坐標(biāo)系上作出分配曲線，如圖4；根據(jù) XF 和 YS 確定 L 點(diǎn)，過(guò) L 點(diǎn)作斜率為 mB/mS 的操作線，與分配曲線相交于點(diǎn)E1( X1， Y1)，其坐標(biāo)值表示離

17、開(kāi)第一級(jí)的萃取相 E1與萃余相 R 的組成。 再過(guò) E 作垂直線與Y=Y 線交于 V(X ，Y )，因各級(jí)萃取劑用量相11S1S等，通過(guò) V 點(diǎn)作 LE1 的平行線與分配曲線交于點(diǎn)E2(X2，Y2)，此點(diǎn)坐標(biāo)為離開(kāi)第二級(jí)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Xn 為止。累計(jì)所作操作線的數(shù)目即為所.求的理論級(jí)數(shù)n。圖 4解析法第一級(jí)萃取相平衡關(guān)系為：XFmS YSX 1mBKm S1mB令 KmS/mB=Am 則上式變?yōu)椋篨1Y1=KX1X FmS YSmB1AmX FmS YSmS YS對(duì)第二級(jí)萃取則有：X 2mBmB(121AmAm )YS1n同理，對(duì)第

18、 n 級(jí)萃取則有： X nX FYSK1 AmKYS1X F整理上式得： nlnKAmln 1YSX nK代入已知條件：YS=0 ，XF=0.064 ，K =2.2，KmS/mB =Am=（ 2.2 25） /112.8=0.488得1ln0.064n6.4ln 1 0.4880.005.5在 25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(zhì)量分?jǐn)?shù) )丙酮的水溶液中萃取丙酮。 原料液的流量為1500kg/h ，溶劑比 (mS/mF)為 0.87，要求最終萃余相中丙酮的組成不大于 2.5 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) )。試用直角三角形坐標(biāo)求需要幾個(gè)萃取理論級(jí)?操作條件下的平衡數(shù)

19、據(jù)見(jiàn)習(xí)題3 附表。解：繪制相圖，如圖 5。由已知： xF=0.45， mF=1500kg/h ， mS/mF=0.87（1）由 xF=0.45 ，在相圖上定F 點(diǎn)，并作聯(lián)線 FS。 mS/mF = MF / MS = FS/ MS -1 MS = FS /（ 1+ mS/mF） =11/（ 1+0.87 ） =5.88，由此，找出 M 點(diǎn)。（2）按末級(jí)萃余相濃度xN=0.025，在溶解度曲線上找出RN 點(diǎn)，聯(lián)接 RN M 并延長(zhǎng)與溶解度曲線相交于 E1 點(diǎn)， E1點(diǎn)即為離開(kāi)第一級(jí)的萃取相濃度。（3）將聯(lián)線 FE1 和 RN S 延長(zhǎng)，得交點(diǎn) 。（4）過(guò) E1 點(diǎn)作平衡聯(lián)結(jié)線得 R1，此為第一級(jí)。（5）作直線 R1 與溶解度曲線相交為點(diǎn)E2，過(guò) E2 作平衡聯(lián)結(jié)線，找出R2， R2 0.025，故理論級(jí)為 2。圖 5.6 在多級(jí)逆流萃取裝置中用純氯苯萃取吡啶水溶液中的吡啶。原料液中吡啶的質(zhì)量分率為35，要求最終萃余相中吡啶組成不大于5。操作溶劑比為 0.8。操作條件下的平衡數(shù)據(jù)( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) %)如本題附表所示。若將水和氯苯視作完全不互溶，試在直角坐標(biāo)系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)。習(xí)題 6附表萃取相萃余相吡啶 (A)水 (B)氯苯 (S)吡啶 (A)水 (B)氯苯 (S)00.0599.95099.920.0811.050.6788.285.0294