化工原理第章.docx

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化工原理第章

第10章习题解答

1在操作条件下，以纯净的氯苯为萃取剂，在单级接触萃取器中，萃取含丙酮的水溶液。

丙酮-水-氯苯三元混合液的平衡数据见本题附表。

试求：

⑴在直角三角形坐标系下，绘制此三元体系的相图，其中应包括溶解度曲线、联接线和辅助曲线；

⑵若近似地将前五组数据中B与S视为不互溶，试在X—Y直角坐标图上标绘分配曲线；

⑶若丙酮水溶液质量比分数为，并且mB/ms=,在X—Y直角坐标图上求丙酮在萃余相中

的浓度；

⑷求当水层中丙酮浓度为45%（质量%，下同）时，水与氯苯的组成以及与该水层成

平衡时的氯苯层的组成；

⑸由0.12kg氯苯和0.08kg水所构成的混合液中，尚需加入多少kg丙酮即可成为三元

均相混合液；

⑹预处理含丙酮35%的原料液800kg，并要求达到萃取平衡时，萃取相中丙酮浓度为30%，试确定萃取剂（氯苯）的用量；

⑺求条件⑹下的萃取相和萃余相的量，并计算萃余相中丙酮的组成；

⑻若将条件⑹时的萃取相中的溶剂全部回收，求可得萃取液的量及组成。

习题1附表（质量%）

水层

氯苯层

丙酮（A）

水（B）

氯苯（S）

丙酮（A）

水（B）

氯苯（S）

0

10

20

30

40

50

60

0

解：

⑴依平衡数据绘出溶解度曲线如附图1-1所示，图中各点代号与数据的对应关系注于附

表1-1中。

联结互成平衡的两液层组成点得E1R1、E2R2、E2R2……等平衡联结线。

附表1-1（质量%）

R相

E相

图中的点

丙酮

水

氯苯

图中的点

丙酮

水

氯苯

B

0

A

0

R5

10

E5

R4

20

E4

R3

30

E3

R2

40

E2

R1

P

50

E1

P

由曰、E2、E3……各点作平行于AB边的直线，再由R1、R2、R3……各点作平行于AS边的

直线，两组线分别相交于点G、H、丨、J、K,连接P、G、H、I、J、K即得辅助曲线。

⑵将前五组数据转换为质量比浓度，其结果列于附表1-2中，并在X—Y直角坐标图上标绘

分配曲线，如图1-2。

附表1-2

X0

Y|0|

⑶由Xf=，在图1-2上，自点Xf作斜率为一mB/ms=—的直线与分配曲线相交于点T,点T

的横坐标即为丙酮在萃余相中的浓度Xr=。

⑷水层中各组分的浓度

R组成为（质量％）:

左侧的交点R,即代表水层中含A为45%的组成点，由图可读得点

xa=45%XB=%xs=%

与水层相平衡的氯苯层组成

利用所绘的辅助曲线从点R求出与之相平衡的氯苯层E。

即由点R作AS边的平行线与辅助曲线相交于点G，由点G作直线平行于AB边，与溶解度曲线右侧相交于点E,点E即为与R成平衡的氯苯层组成点。

由图可读出其组成为：

yA=%yB=%ys=%

⑸由0.12kg氯苯和0.08kg水构成的混合液，其质量分数为:

xb=+=40%,xs=+=60%

依以上数据在本题附图1-3的BS边上确定点D，联AD线与溶解度曲线相交于点H。

若加

入的丙酮量可以使混合液组成点在AD线上跨过H点，则此混合液可变为均相。

依杠杆定

律可确定当混合液组成点为H时所加入的丙酮量mA。

计算过程如下：

设原混合液的量为mD，即mD=+=0.20kg

mDAHDH

mAmD

mADHAH

⑹依原料液组成在本题附图1-4上确定点F,联SF线；由萃取相浓度yA=30%确定点E,并

利用辅助曲线由点

E作图得点R。

联ER与FS线相交于点M。

依杠杆定律可求萃取剂用量

ms,即:

FM9.5

mSmF800201kg

MS37.8

mMmFm$8002011001kg

mEmM塑1001旦5440.8kgRE19.3

故mRmMmE1001440.8560.2kg

⑻在图1-4上连接SE,并延长与AB边相交于点E，点E对应坐标即为萃取液的组成，由

图1-4读得丙酮含量为95%。

2以异丙醚为萃取剂，从浓度为50%（质量分数）的醋酸水溶液中萃取醋酸。

在单级萃取器

中，用600kg异丙醚萃取500kg醋酸水溶液，20C时醋酸-水-异丙醚系统的平衡数据如本题附表所示。

试求：

⑴在直角三角形相图上绘出溶解度曲线及辅助曲线。

⑵确定原料液与萃取剂混合后，混合液M的坐标位置。

⑶由三角形相图求出此混合液分为两个平衡液层E与R后，两液层的组成和质量。

⑷上述两液层的分配系数Ka及溶剂的选择性系数伎

习题2附表（质量%）

在萃余相R（水层）中

在萃取相E（异丙醚层）中

醋酸（A）

水（B）

异丙醚（S）

醋酸（A）

水（B）

异丙醚（S）

解:

（1）由题给数据作溶解度曲线及辅助曲线，如图2。

（2）由ms/mF=MF/MS=600/500=6/5,作图得M点

（3）借助辅助曲线，试差作图，得点E和R。

由图读得E相：

yA=%，yB=%，ys=%

R相：

xa=37%，xb=%，xs=%

mR/mE=EM/RM=①

mR+mE=mM=1100

联立式①和②，解得mR=331kg，mE=769kg

（4）kA=yA/xa=%/37%=

OJ02030.40.506050.80,9轨异丙碰）

图2

3在25C下，用甲基异丁基甲酮（MIBK）从含丙酮40%（质量分数）的水溶液中萃取丙酮。

原料液的流量为1500kg/h。

操作条件下的平衡数据见本题附表。

试求：

⑴当要求在单级萃取装置中获得最大组成的萃取液时，萃取剂的用量为多少（kg/h）?

⑵若将⑴求得的萃取剂用量分作两等份进行两级错流萃取，试求最终萃余相的流量和组成。

⑶比较⑴、⑵两种操作方式中丙酮的萃出率。

习题3附表1溶解度曲线数据（质量%）

丙酮（A）

水（B）

MIBK（S）

丙酮（A）

水（B）

MIBK（S）

0

0

习题3附表2联结线数据（丙酮的质量%）

水层

MIBK层

水层

MIBK层

解:

（1）过S作溶解度曲线的切线，切点为E,由E点和辅助曲线确定共轭点R,连接ER与线

FS相交于M点，由杠杆定律有：

ms/mF=mf/MS==

ms=1500=IO39.37kg/h

（2）二级错流接触萃取时

msi=ms2=520kg/h

第一级萃取满足关系：

msi/mF=FM/SM=1500/520=

在图上找出Mi点，利用辅助曲线通过试差法，确定Ri,Ei

二mRi/mMi=EiMi/EiFi==

'/mMi=i500+520=2020kg/h

/.mRi=>2020=I258kg/h

第二级萃取满足关系：

mRi/ms=SM2/RM2=I258/520=

在图上找出M2点，禾U用辅助曲线通过试差法，确定R2,E2

•••mM2=I258+520=I778kg/h

/•mR2=mM2.M2E2=1778x4=1016kg/h

R2E2

（3）丙酮萃取率:

单级萃取:

二级错流接触萃取:

由结果可知两级错流萃取优于单级萃取。

图3

4在多级错流接触萃取装置中，用水从含乙醛6%（质量分数，下同）的乙醛-甲苯混合液中提取乙醛。

原料

液的流量为120kg/h，要求最终萃余相中乙醛含量不大于％。

每级中水的用量均为25kg/h。

操作条件下，水

和甲苯可视作完全不互溶，以乙醛质量比组成表示的平衡关系为：

Y=。

试在直角坐标系上用作图法和解析

法分别求所需的理论级数。

解:

mF=120kg/hmB=mF（1-6%）=112.8kg/h

XnW%%）=1/199=

ms=25kg/h

Ys=0，mB/ms=25=

代入上式得出：

Yn=+Xn-1

-Yn=Xn

率为—mB/ms的操作线，与分配曲线相交于点Ei（Xi,Yi）,其坐标值表示离开第一级的萃取

相Ei与萃余相Ri的组成。

再过Ei作垂直线与Y=Ys线交于V（Xi,Ys）,因各级萃取剂用量相等，通过V点作LEi的平行线与分配曲线交于点E2（X2,Y2），此点坐标为离开第二级的萃取

相E2与萃余相R2的组成。

依此类推，直至萃余相组成等于或低于指定值Xn为止。

累计所作操作线的数目即为所

求的理论级数n。

解析法

第一级萃取相平衡关系为：

Yi=KXi

msXfYs

令Kms/mB=Am则上式变为：

mB

X1B

1Am

vYs1

Ys

Xn

Xf

K1Am

K

同理，对第n级萃取则有:

n

1XfYs

整理上式得：

n1ln匚

In1AmyYs

Xn疋

6.4

n—1In-0.064

In10.4880.005

5在25C下，以甲基异丁基甲酮（MIBK）为萃取剂，用逆流接触萃取操作，从含有45%（质量分数）丙酮的

水溶液中萃取丙酮。

原料液的流量为1500kg/h,溶剂比（ms/mF）为，要求最终萃余相中丙酮的组成不大于％（质量分数）。

试用直角三角形坐标求需要几个萃取理论级？

操作条件下的平衡数据见习题3附表。

解：

绘制相图，如图5。

由已知：

xf=，mF=1500kg/h，ms/mF=

（1）由XF=，在相图上定F点，并作联线FS。

■/mS/mF=MF/MS=FS/MS-1

•••MS=FS/（1+mS/mF）=11/（1+）=，由此，找出M点。

（2）按末级萃余相浓度xn=，在溶解度曲线上找出Rn点，联接RnM并延长与溶解度曲线

相交于E1点，E1点即为离开第一级的萃取相浓度。

（3）将联线和RnS延长，得交点△

（4）过E1点作平衡联结线得R1，此为第一级。

（5）作直线R与溶解度曲线相交为点E2，过E2作平衡联结线，找出R2，R2~，故理论级

为2。

图5

6在多级逆流萃取装置中用纯氯苯萃取吡啶水溶液中的吡啶。

原料液中吡啶的质量分率为35%，要求最

终萃余相中吡啶组成不大于5%。

操作溶剂比为。

操作条件下的平衡数据（质量分数％）如本题附表所示。

若将水和氯苯视作完全不互溶，试在直角坐标系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。

习题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）

0

0

解:

并作

由表中平衡数据，因水和氯苯视为完全不互溶，因此将数据变为质量比组成，得下表,

分配曲线，如图6。

萃取相

Y=mA/ms

0

萃余相

X=mA/mB

0

xf=35%,Xf=35%心-35%）=

xn=5%,Xn=5%（1-5%）=

Ys=0

操作线丫t理XjY1mBXF

msms

由ms/mF=,mF=mA+mB禾口Xf=，可以推得mB/ms=

所以操作线过（Xn,Ys）和（Xf,Yi）两点，即，0）和，Yi），其斜率为mB/ms=

作出操作线，在分配曲线与操作线之间画阶梯，得3级理论级。

溶剂用量为最小时，操作线与分配曲线相交于J2,此时mB/mSmin=

...ms/msmin=

得ms=msmin