化工基础学习知识原理第10章.doc

.\ 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0.4，并且mB/mS=2.0，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 99.89 0.11 0 0.18 99.82 10 89.79 0.21 10.79 0.49 88.72 20 79.69 0.31 22.23 0.79 76.98 30 69.42 0.58 37.48 1.72 60.80 40 58.64 1.36 49.44 3.05 47.51 50 46.28 3.72 59.19 7.24 33.57 60 27.41 12.59 62.07 22.85 15.08 60.58 25.66 13.76 60.58 25.66 13.76 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 99.89 0.11 A 0 0.18 99.82 R5 10 89.79 0.21 E5 10.79 0.49 88.72 R4 20 79.69 0.31 E4 22.23 0.79 76.98 R3 30 69.42 0.58 E3 37.48 1.72 60.80 R2 40 58.64 1.36 E2 49.44 3.05 47.51 R1 50 46.28 3.72 E1 59.19 7.24 33.57 P 60.58 25.66 13.76 P 60.58 25.66 13.76 由E1、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、I、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 X 0 0.114 0.251 0.466 0.682 Y 0 0.121 0.29 0.616 1.04 ⑶由XF=0.4，在图1-2上，自点XF作斜率为－mB/mS=－2.0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=0.25。 图1-1 图1-2 ⑷水层中各组分的浓度 由所绘制的溶解度曲线如图1-3，在AB边上确定组分A的浓度为45％的点F，由点F绘直线FW平行于三角形底边BS，则FW线上各点表示A的组成均为45％。FW与溶解度曲线左侧的交点R，即代表水层中含A为45％的组成点，由图可读得点R组成为(质量％)： xA=45％ xB=52.8％ xS=2.2％ 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=54.9％ yB=4.3％ yS=40.8％ ⑸由0.12kg氯苯和0.08kg水构成的混合液，其质量分数为： xB=0.08/(0.08+0.12)=40％, xS=0.12/(0.08+0.12)=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=0.08+0.12=0.20kg , 由本题附图1-3量得：线段=19.2（单位长度），=33（单位长度），故需加入的丙酮量应略大于 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： ⑺ ∵ 又 ∴ 故 由图1-4可读出萃余相中丙酮的组成：26%。 ⑻在图1-4上连接SE，并延长与AB边相交于点，点对应坐标即为萃取液的组成，由图1-4读得丙酮含量为95%。 由图可视R与萃余液的组成点重合，即满足： ∴萃取液的质量为： 图1-3 图1-4 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，20℃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β。 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) 0.69 98.1 1.2 0.18 0.5 99.3 1.4 97.1 1.5 0.37 0.7 98.9 2.7 95.7 1.6 0.79 0.8 98.4 6.4 91.7 1.9 1.9 1.0 97.1 13.3 84.4 2.3 4.8 1.9 93.3 25.5 71.1 3.4 11.40 3.9 84.7 37.0 58.6 4.4 21.60 6.9 71.5 44.3 45.1 10.6 31.10 10.8 58.1 46.4 37.1 16.5 36.20 15.1 48.7 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=/=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=17.8%，yB=5.0% ，yS=77.2% R相： xA=37% ，xB=60.2% ，xS=2.8% mR/mE=/=2.3/5.35 ① mR+mE=mM=1100 ② 联立式①和②，解得mR=331kg，mE=769kg （4）kA= yA/ xA=17.8%/37%=0.48 β= kA/kB= (yA/ xA)(xB/ yB)=(17.8/37) （60.2/5）=5.8 图2 3 在25℃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 2.2 97.8 48.4 18.8 32.8 4.6 2.3 93.1 48.5 24.1 27.4 18.9 3.9 77.2 46.6 42.8 20.6 24.4 4.6 71.0 42.6 45.0 12.4 28.9 5.5 65.6 30.9 64.1 5.0 37.6 7.8 54.6 20.9 75.9 3.2 43.2 10.7 46.1 3.7 94.2 2.1 47.0 14.8 38.2 0 98.0 2.0 习题3附表2 联结线数据(丙酮的质量%) 水 层 MIBK层 水 层 MIBK层 5.58 10.66 29.5 40.0 11.83 18.0 32.0 42.5 15.35 25.5 36.0 45.5 20.6 30.5 38.0 47.0 23.8 35.3 41.5 48.0 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=/=4.4/6.35=0.693 ∴ mS =15000.693=1039.37kg/h (2)二级错流接触萃取时 mS1=mS2=520kg/h 第一级萃取满足关系：mS1/mF =/=1500/520=2.88 在图上找出M1点，利用辅助曲线通过试差法，确定R1，E1 ∴mR1/mM1=/=3.3/5.3=0.62 ∵mM1=1500+520=2020 kg/h ∴mR1=0.622020=1258 kg/h 第二级萃取满足关系：mR1/mS=/=1258/520=2.42 在图上找出M2点，利用辅助曲线通过试差法，确定R2，E2 ∵mM2=1258+520=1778 kg/h ∴mR2= mM2=1778=1016 kg/h 萃余相R2的组成由图读得：xA=15.2% xB=81.8% xS=3% (3) 丙酮萃取率： 单级萃取： 萃取率= 二级错流接触萃取： 萃取率= 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0.5％。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=2.2X。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/h Xn≤0.5%/(1-0.5%)=1/199=0.005 mS=25 kg/h YS=0，mB/mS =112.8/25=4.512 代入上式得出： Yn=-4.512Xn+4.512 Xn-1 ∵Yn=2.2 Xn 图解法：首先在直角坐标系上作出分配曲线，如图4；根据XF和YS确定L点，过L点作斜率为－mB/mS的操作线，与分配曲线相交于点E1(X1，Y1)，其坐标值表示离开第一级的萃取相E1与萃余相R1的组成。再过E1作垂直线与Y=YS线交于V(X1，YS)，因各级萃取剂用量相等，通过V点作LE1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。 图4 解析法 第一级萃取相平衡关系为：Y1=KX1 ∴ 令KmS/mB=Am则上式变为： 对第二级萃取则有： 同理，对第n级萃取则有： 整理上式得： 代入已知条件：YS=0，XF=0.064，K=2.2，KmS/mB=Am=（2.225）/112.8=0.488 得 5 在25℃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0.87，要求最终萃余相中丙酮的组成不大于2.5％(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=0.45，mF=1500kg/h，mS/mF=0.87 （1）由xF=0.45，在相图上定F点，并作联线FS。 ∵ mS/mF = /=/-1 ∴ =/（1+ mS/mF）=11/（1+0.87）=5.88，由此，找出M点。 （2）按末级萃余相浓度xN=0.025，在溶解度曲线上找出RN点，联接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）作直线与溶解度曲线相交为点E2，过E2作平衡联结线，找出R2，R2≈0.025，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0.8。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 0.05 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 74.28 18.9 80.72 0.38 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 3.95 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： 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，并作分配曲线，如图6。 萃取相Y=mA/mS 0 0.125 0.237 0.324 0.414 0.481 0.575 0.766 1.296 萃余相X=mA/mB 0 0.053 0.125 0.234 0.345 0.582 0.884 1.404 3.712 图6 xF=35% , XF=35%/(1-35%)=0.538 xn=5%, Xn=5%(1-5%)=0.0526 YS=0 操作线 由mS/mF =0.8，mF = mA + mB 和XF= 0.538，可以推得mB/mS=0.813 所以操作线过(Xn，YS)和(XF，Y1)两点，即(0.0526，0)和(0.538，Y1)，其斜率为mB/mS=0.813 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=0.99 ∴ mS/mSmin=0.99/0.813 得 mS =1.22 mSmin