(10)第十章 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 96.4 3.6 48.5 12.8 38.7 3.5 93.0 3.5 47.5 7.5 45.0 8.6 87.2 4.2 42.7 3.7 53.6 19.3 74.3 6.4 36.7 1.9 61.4 24.4 67.5 7.9 29.3 1.1 69.6 30.7 58.6 10.7 24.5 0.9 74.6 41.4 39.3 19.3 19.6 0.7 79.7 45.8 26.7 27.5 14.9 0.6 84.5 46.5 24.1 29.4 7.1 0.5 92.4 47.5 20.4 32.1 0.0 0.4 99.6 习题1附表2 联结线数据（醋酸的质量分数%） 水 层 庚 醇-3 层 水 层 庚 醇-3 层 6.4 5.3 38.2 26.8 13.7 10.6 42.1 30.5 19.8 14.8 44.1 32.6 26.7 19.2 48.1 37.9 33.6 23.7 47.6 44.9 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200 kg醋酸、200 kg庚醇-3和400 kg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 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1 000 kg/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=0.3可确定原料的相点F，由萃余相的组成xA=0.1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 （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2000 kg，每级的异丙醚用量为800 kg，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） 0.69 98.1 1.2 0.18 0.5 99.3 1.41 97.1 1.5 0.37 0.7 98.9 2.89 95.5 1.6 0.79 0.8 98.4 6.42 91.7 1.9 1.9 1.0 97.1 13.34 84.4 2.3 4.8 1.9 93.3 25.50 71.7 3.4 11.4 3.9 84.7 36.7 58.9 4.4 21.6 6.9 71.5 44.3 45.1 10.6 31.1 10.8 58.1 46.40 37.1 16.5 36.2 15.1 48.7 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=0.3，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 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 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1 200kg/h，要求最终萃余相中乙醛的质量分数不大于0.5%。每级中水的用量均为250 kg/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=2.2X。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=2.2X，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–4.512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0.005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2 000kg/h，操作溶剂比（ ）为0.9，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 7.4 92.6 0 96.3 3.5 3.2 8.3 88.5 4.8 91.0 4.2 6.0 8.0 86.0 9.4 85.6 5.0 9.5 8.3 82.2 13.5 80.5 6.0 12.8 9.2 78.0 16.6 77.2 6.2 14.8 9.8 75.4 20.0 73.0 7.0 17.5 10.2 72.3 22.4 70.0 7.6 21.2 11.8 67.0 27.8 62.0 10.2 26.4 15.0 58.6 32.6 51.0 13.2 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。 由原料组成xF=0.40，在图中确定原料相点F。F=1000kg/h、S/F=0.9，再根据杠杆规则可确定F、S的和点M。由最终萃取要求xn=0.06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0.06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0.8，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 0.05 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 74.48 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 3.59 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：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 0.125 0.237 0.324 0.414 0.481 0.575 0.766 1.30 萃余相（X） 0 0.0529 0.125 0.234 0.345 0.582 0.884 1.40 3.71 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=0.8及xF =0.35可得操作线的斜率 由最终萃取要求可确定点Xn， 过点Xn作斜率为0.8125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<0.053，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800 kg/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1.2%。采用的溶剂比（S/F）为0.81。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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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3 m的填料塔内，以纯S为溶剂从组分A质量分数为1.8%的A、B两组分混合液中提取A。已知原料液的处理量为2 000kg/h，要求组分A的萃取率不低于90%，溶剂用量为最小用量的1.2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 0.002 0.006 0.01 0.014 0.018 0.020 Y KgA/KgS 0.0018 0.0052 0.0085 0.012 0.0154 0.0171 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0.792的直线交X=XF=0.018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 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4 500 kg/h，三氯乙烷的用量为1 500 kg/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 =0.35确定原料的相点F；由萃取要求xn =0.05确定Rn点；由F=4 500kg/h、S=1 500kg/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。 （2）由杠杆规则可知 补充萃取剂的量为 �习题9 附图2 �习题9 附图1 � 习题8 附图 � 习题6 附图 � 习题5 附图 � 习题4 附图 � 习题3 附图 � 习题2 附图 �� 习题1 附图1 习题1 附图2 PAGE 13 _1252002334.unknown _1252042439.unknown _1260634901.unknown _1260636154.unknown _1261153784.unknown _1261153904.unknown _1261153908.unknown _1261154196.unknown _1261153803.unknown _1260636984.unknown _1260637899.unknown _1260638366.unknown _1261153692.unknown _1260638275.unknown _1260637254.unknown _1260636462.unknown _1260635635.unknown _1260635934.unknown _1260636046.unknown _1260635883.unknown _1260635420.unknown _1260635617.unknown _1260635308.unknown _1252044139.unknown _1252044503.unknown _1252135103.unknown _1252136472.unknown _1252137543.unknown _1252136354.unknown _1252044891.unknown _1252044955.unknown _1252044512.unknown _1252044296.unknown _1252044391.unknown _1252044249.unknown _1252042667.unknown _1252043609.unknown _1252043702.unknown _1252042675.unknown _1252042545.unknown _1252042617.unknown _1252042513.unknown _1252002917.unknown _1252003030.unknown _1252003650.unknown _1252003725.unknown _1252003546.unknown _1252002960.unknown _1252002995.unknown _1252002942.unknown _1252002483.unknown _1252002801.unknown _1252002875.unknown _1252002588.unknown _1252002354.unknown _1252002360.unknown _1252002346.unknown _1252001495.unknown _1252002061.unknown _1252002128.unknown _1252002225.unknown _1252002266.unknown _1252002208.unknown _1252002095.unknown _1252001738.unknown _1252002049.unknown _1252001535.unknown _1250061595.unknown _1252001162.unknown _1252001219.unknown _1252001458.unknown _1252001200.unknown _1250085375.unknown _1252001133.unknown _1250062527.unknown _1250062580.unknown _1250084524.unknown _1250062539.unknown _1250061903.unknown _1250062307.unknown _1250058422.unknown _1250058676.unknown _1250061337.unknown _1250058469.unknown _1247143477.unknown _1250058351.unknown _1014698848.unknown _1019497798.unknown _1014662092.unknown