液液萃取和液固浸取.docx
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液液萃取和液固浸取
第十章液-液萃取和液-固浸取
1.25℃时醋酸(A)–庚醇-3(B)–水(S)的平衡数据如本题附表所示。
习题1附表1溶解度曲线数据(质量分数/%)
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)
0
习题1附表2联结线数据(醋酸的质量分数%)
水层(S)
庚醇-3层
水层
庚醇-3层
试求:
(1)在直角三角形相图上绘出溶解度曲线及辅助曲线,在直角坐标图上绘出分配曲线。
(2)确定由200kg醋酸、200kg庚醇-3和400kg水组成的混合液的物系点位置。
混合液经充分混合并静置分层后,确定两共轭相的组成和质量。
(3)上述两液层的分配系数
及选择性系数
。
(4)从上述混合液中蒸出多少千克水才能成为均相溶液?
解:
(1)溶解度曲线如附图1中曲线SEPHRJ所示。
辅助曲线如附图1曲线SNP所示。
分配曲线如附图2所示。
(2)和点醋酸的质量分率为
水的质量分率为
由此可确定和点M的位置,如附图1所示。
由辅助曲线通过试差作图可确定M点的差点R和E。
由杠杆规则可得
习题1附图1
习题1附图2
由附图1可查得E相的组成为
R相的组成为
(3)分配系数
选择性系数
(4)随水分的蒸发,和点M将沿直线SM移动,当M点到达H点时,物系分层消失,即变为均相物系。
由杠杆规则可得
需蒸发的水分量为
2.在单级萃取装置中,以纯水为溶剂从含醋酸质量分数为30%的醋酸–庚醇-3混合液中提取醋酸。
已知原料液的处理量为1000kg/h,要求萃余相中醋酸的质量分数不大于10%。
试
(1)水的用量;
(2)萃余相的量及醋酸的萃取率。
操作条件下的平衡数据见习题1。
解:
(1)物系的溶解度曲线及辅助曲线如附图所示。
由原料组成xF=可确定原料的相点F,由萃余相的组成xA=可确定萃余相的相点R。
借助辅助曲线,由R可确定萃取相的相点E。
联结RE、FS,则其交点M即为萃取操作的物系点。
由杠杆规则可得
习题2附图
(2)由杠杆规则可确定萃余相的量。
由附图可读得萃取相的组成为
萃取率=
3.在三级错流萃取装置中,以纯异丙醚为溶剂从含醋酸质量分数为30%的醋酸水溶液中提取醋酸。
已知原料液的处理量为2000kg,每级的异丙醚用量为800kg,操作温度为20℃,试求
(1)各级排出的萃取相和萃余相的量和组成;
(2)若用一级萃取达到同样的残液组成,则需若干千克萃取剂。
20℃时醋酸(A)–水(B)–异丙醚(S)的平衡数据如下:
习题3附表20℃时醋酸(A)–水(B)–异丙醚(S)的平衡数据(质量分数)
水相
有机相
醋酸(A)
水(B)
异丙醚(S)
醋酸(A)
水(B)
异丙醚(S)
解:
由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线,如附图所示。
由原料组成xF=,在图中确定原料相点F。
由物料衡算确定一级萃取物系的组成
习题3附图
由此可确定一级萃取物系点M1的位置。
借助辅助曲线,通过试差作图可由M1确定一级萃取的萃取相点E1和萃余相点R1。
由杠杆规则可得
由附图可读得一级萃取相和萃余相的组成为
由R1的量及组成,以及所加萃取剂的量,通过物料衡算可求得二级萃取的物系点M2。
与一级萃取计算方法相同可得
kg
kg
与二级萃取计算相同,可得三级萃取计算结果
kg
kg
(2)若采用一级萃取达到同样的萃取效果,则萃取物系点为附图中的N点。
由杠杆规则可得
习题4附图
4.在多级错流萃取装置中,以水为溶剂从含乙醛质量分数为6%的乙醛—甲苯混合液中提取乙醛。
已知原料液的处理量为1200kg/h,要求最终萃余相中乙醛的质量分数不大于%。
每级中水的用量均为250kg/h。
操作条件下,水和甲苯可视为完全不互溶,以乙醛质量比表示的平衡关系为Y=。
试求所需的理论级数。
解:
(a)直角坐标图解法在X–Y直角坐标图上绘出平衡曲线Y=,如附图所示。
原料中稀释剂的量为
操作线的斜率为
过XF作斜率为–的直线,与平衡线交于Y1,则XFY1为一级萃取的操作线。
过Y1作Y轴的平行线,与X轴交于X1。
过X1作XFY1的平行线,与平衡曲线交于Y2,X1Y2即为二级萃取的操作线。
同理可作以后各级萃取的操作线,其中Xi为第i级萃余相的组成,直至Xn小于或等于所规定的组成为止。
操作线的条数即为理论级数,即
n=7
(b)解析法由于B与S不互溶,故可采用式(10–35)计算理论级数。
取n=7
也可采用迭代计算求理论级数。
平衡关系为
操作关系为
由此可得迭代关系为
迭代计算结果为
即所需理论级数为7级。
5.在多级逆流萃取装置中,以水为溶剂从含丙酮质量分数为40%的丙酮–醋酸乙酯混合液中提取丙酮。
已知原料液的处理量为2000kg/h,操作溶剂比(
)为,要求最终萃余相中丙酮质量分数不大于6%,试求
(1)所需的理论级数;
(2)萃取液的组成和流量。
操作条件下的平衡数据列于本题附表。
习题5附表丙酮(A)–醋酸乙酯(B)–水(S)的平衡数据(质量分数)
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
0
解:
(1)由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线,如附图所示。
习题5附图
由原料组成xF=,在图中确定原料相点F。
F=1000kg/h、S/F=,再根据杠杆规则可确定F、S的和点M。
由最终萃取要求xn=确定Rn。
联结Rn、M,其延长线与溶解度曲线交于E1,FE1、RnS两线的交点Δ即为操作点。
借助辅助曲线作图可得E1的共轭相点R1(第一级萃取萃余相点),联结R1Δ与溶解度曲线交于E2。
同理可找到R2、R3……,直至萃余相的组成小于为止,操作线的条数即为理论级数。
由作图可得
n=6
(2)联结S、E1,并延长交AB与E′,E′即为萃取液的相点,读图可得
由杠杆规则可得
6.在多级逆流萃取装置中,以纯氯苯为溶剂从含吡啶质量分数为35%的吡啶水溶液中提取吡啶。
操作溶剂比(
)为,要求最终萃余相中吡啶质量分数不大于5%。
操作条件下,水和氯苯可视为完全不互溶。
试在X–Y直角坐标图上求解所需的理论级数,并求操作溶剂用量为最小用量的倍数。
操作条件下的平衡数据列于本题附表。
习题6附表吡啶(A)–水(B)–氯苯(S)的平衡数据(质量分数)
萃取相
萃余相
吡啶(A)
水(B)
氯苯(S)
吡啶(A)
水(B)
氯苯(S)
0
0
解:
将以质量分数表示的平衡数据转化为质量比表示,其结果列于附表2中。
习题6附表2
萃取相(Y)
0
萃余相(X)
0
由表中数据在X–Y直角坐标系中绘出平衡曲线,如附图中曲线Y1Y2BQ所示。
由S/F=及xF=可得操作线的斜率
由最终萃取要求可确定点Xn,
习题6附图
过点Xn作斜率为的直线与直线
交于J,则XnJ即为操作线。
在平衡曲线与操作线之间作阶梯至X<,所作的级梯数即为理论级数。
由作图可得理论级数为
当萃取剂用量最小时,操作线的斜率最大,此时的操作线为XnB,其斜率为
7.在25℃下,用纯溶剂S在多级逆流萃取装置中萃取A、B混合液中的溶质组分A。
原料液处理量为800kg/h,其中组分A的含量为32%(质量分数,下同),要求最终萃余相中A的含量不大于%。
采用的溶剂比(S/F)为。
试求经两级萃取能否达到分离要求。
操作范围内级内的平衡关系为
解:
本题为校核型计算,但和设计性计算方法相同。
若求得的
,说明两级逆流萃取能满足分离要求,否则,需增加级数或调整工艺参数。
(1)对萃取装置列物料衡算及平衡关系式
(a)
组分A
(b)
组分S
(c)
式中
(d)
(e)
(f)
联立式(a)~式(f),得
(1)对第一理论级列物料衡算及平衡关系式
(g)
组分A
(h)
组分S
(i)
式中
(j)
(k)
联立式(g)~式(k),得
计算结果表明,两级逆流萃取可以达到给定的分离要求。
8.在填料层高度为3m的填料塔内,以纯S为溶剂从组分A质量分数为%的A、B两组分混合液中提取A。
已知原料液的处理量为2000kg/h,要求组分A的萃取率不低于90%,溶剂用量为最小用量的倍,试求
(1)溶剂的实际用量,kg/h;
(2)填料层的等板高度HETS,m;(3)填料层的总传质单元数
。
操作条件下,组分B、S可视为完全不互溶,其分配曲线数据列于本题附表。
习题8附表
X
KgA/KgB
Y
KgA/KgS
习题8附图
解:
(1)由分配曲线数据在X–Y直角坐标系中绘出分配曲线,如附图曲线NBQ所示。
萃取剂用量最小时的操作线为XnB,其斜率为
(2)操作线的斜率为;
过点Xn作斜率为的直线交X=XF=于J,XnJ即为操作线。
在操作线与分配曲线之间作级梯,可得理论级数为
(3)由附图可看出,平衡线及操作线均为直线,因此,可采用积分计算填料层的传质单元数。
由附图可求得平衡线方程为
操作线方程为
习题9附图1
9.在多级逆流萃取装置中,用三氯乙烷为溶剂从含丙酮质量分数为35%的丙酮水溶液中提取丙酮。
已知原料液的处理量为4500kg/h,三氯乙烷的用量为1500kg/h,要求最终萃余相中丙酮质量分数不大于5%,试求
(1)分别用三角形相图和x–y直角坐标图求解所需的理论级数;
(2)若从萃取相中脱除的三氯乙烷循环使用(假设其中不含水和丙酮),每小时需补充解:
(1)三角形坐标图解
由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线,如附图1所示。
由原料组成xF=确定原料的相点F;由萃取要求xn=确定Rn点;由F=4500kg/h、S=1500kg/h,再根据杠杆规则确定F、S的和点M。
联结RnM并延长与溶解度曲线交于E1,则E1F和SRn的交点Δ即为操作点。
借辅助曲线作图可找到E1的共轭相点R1,联结ΔR1并延长与溶解度曲线交于E2,同理可找到E2的共轭相点R2……直至Rn的组成xn达到萃取要求,其中操作线的条数即为理论级数。
由作图可得
n=15
(2)直角坐标图解
在x–y直角坐标系中绘出分配曲线,如附图2所示。
读出三角形坐标图中的操作线所对应的萃余相和萃取相的组成x、y,将其标绘于x–y直角坐标系中,即得到一个操作点,将各操作点联结起来即得到操作线TB。
在操作线与分配曲线之间作级梯,级梯数即为理论级数,由作图可知
n=14
结果与三角形坐标图解稍有差别,是由作图误差所致。
习题9附图2
(2)由杠杆规则可知
补充萃取剂的量为