化工原理第章.docx

1、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：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；若近似地将前五组数据中 B与S视为不互溶，试在XY直角坐标图上标绘分配曲线；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；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；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

2、混合液；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；求条件下的萃取相和萃余相的量，并计算萃余相中丙酮的组成；若将条件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)01020304050600解：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B0A0

3、R510E5R420E4R330E3R240E2R1P50E1P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。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1-2X 0Y | 0 |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=。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

4、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=%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

5、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=+=0.20kgmD AH DH, mA mDmA DH AH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:FM 9.5mS mF 800 201kgMS 37.8mM mF m$ 800 201 1001kgmE mM 塑 1001 旦5 440.8kg RE 19.3故 mR mM mE 1001 440.8 560.2 kg在图1-4上连接SE,并延长与AB边相交于点E，点E对应坐

6、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：在直角三角形相图上绘出溶解度曲线及辅助曲线。确定原料液与萃取剂混合后，混合液 M的坐标位置。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。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

7、)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 = mR+mE=mM=1100联立式 和，解得 mR=331kg， mE=769kg(4)kA= yA/ xa=%/37%=OJ 02 03 0.4 0.5 06 05 0.8 0,9 轨异丙碰）图23在25 C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

8、为1500kg/h。操作条件下的平衡数据见本题附表。试求：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）?若将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。比较、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)00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 =IO3

9、9.37kg/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=2020 kg/h/.mRi = 2020=I258 kg/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, E2mM2=I258+520=I778 kg/h/mR2= mM2 .M2E2 =1778 x 4 =1016 kg/hR2

10、E2(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34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/h mB= mF (1-6%)=112.8 kg/hXnW %)=1/199=ms=25 kg/hYs=0， mB/ms =25=代入上式得出：Yn=+ Xn-1

11、-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=KXims Xf Ys令Kms/mB=Am则上式变为：mBX1 B1 Amv Ys 1YsX nX fK 1 AmK同理，对第n级萃取则有:n

12、1 Xf Ys整理上式得：n 1 ln 匚In 1 Am y YsXn疋6.4n 1In-0.064In 1 0.488 0.0055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 /M

13、S = 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56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

14、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)00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/ms0萃余相X=mA/mB0xf=35% , Xf=35%心-35%)=xn=5%, Xn=5%(1-5%)=Ys=0操作线 丫 t 理Xj Y1 mBXFms ms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