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文档简介
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。丙酮一水一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m《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)099.890.1100.1899.821089.790.2110.790.4988.722079.690.3122.230.7976.983069.420.5837.481.7260.804058.641.3649.443.0547.515046.283.7259.197.2433.576027.4112.5962.0722.8515.0860.5825.6613.7660.5825.6613.76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鸟鸟、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B099.890.11A00.1899.82R51089.790.21E510.790.4988.72R42079.690.31E422.230.7976.98R33069.420.58E337.481.7260.80R24058.641.36E249.443.0547.51R15046.283.72Ei59.197.2433.57P60.5825.6613.76P60.5825.6613.76由鸟、E2、E3各点作平行于AB边的直线,再由R「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1-2X00.1140.2510.4660.682Y00.1210.290.6161.04⑶由Xf=0.4,在图1-2上,自点XF作斜率为-m《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X/0.25。图1-1X(m'mW%图图1-1X(m'mW%图1-2⑷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%):%=45% 七=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% *=4.3% 七=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=0.20kgmAH_DHm~DH,m-mDAH由本题附图1-3量得:线段AH=19.2(单位长度),DH=33(单位长度),故需加入的丙酮量应略大于mA量应略大于mA=0.200治=0.344以⑹依原料液组成在本题附图1-4上确定点/,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:FM9.5ms=mFMS=800x苏=201@mM=mF+ms=800+201=1001kg又mMRmM=RE•Lm=mMR=10010旦=440.8kgemre19.3故mR=mM-mE=1001-440.8=560.2kg
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%。由图可视R与萃余液的组成点R重合,即满足:m+m=mR' E' F3.530=93.3kg图1-33.530=93.3kg图1-3图1-42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°C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%及溶剂的选择性系数倡习题2附表(质量%)在萃余相R(水层)匚目在萃取相E(异丙醚层)中醋酸(A)水(B)异丙醚(S)醋酸(A)水(B)异丙醚(S)0.6998.11.20.180.599.31.497.11.50.370.798.92.795.71.60.790.898.46.491.71.91.91.097.113.384.42.34.81.993.325.571.13.411.403.984.737.058.64.421.606.971.544.345.110.631.1010.858.146.437.116.536.2015.148.7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=M/M=600/500=6/5,作图得M点借助辅助曲线,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='EM/~RM=2.3/5.35 ①mR+mE=mM=1100 ②联立式①和②,解得mR=331kg,mE=769kgkA=yA/xA=17.8%/37%=0.48匿kA/kB=(yA/%)•(%/yB)=(17.8/37).(60.2/5)=5.8
3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,萃取剂的用量为多必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)02.297.848.418.832.84.62.393.148.524.127.418.93.977.246.642.820.624.44.671.042.645.012.428.95.565.630.964.15.037.67.854.620.975.93.243.210.746.13.794.22.147.014.838.2098.02.0习题3附表2联结线数据(丙酮的质量%)水层MIBK层水层MIBK层5.5810.6629.540.011.8318.032.042.515.3525.536.045.520.630.538.047.023.835.341.548.0
解:⑴过S作溶解度曲线的切线,切点为矿由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=4.4/6.35=0.693・.・mS=1500x0.693=1039.37kg/h二级错流接触萃取时mS1=mS2=520kg/h第一级萃取满足关系:mS1/mF=FM/s^d=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=em/ER=3.3/5.3=0.62•.•mM1=1500+520=2020kg/h•.•mR1=0.62x2020=1258kg/h第二级萃取满足关系:mR1/mS=SM2/RM=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=1778kg/h.•%=mM2-器=1778X4=1016kg/h
RE /22萃余相R2的组成由图读得:xa=15.2%xb=81.8%xS=3%丙酮萃取率:单级萃取:(m+m)RMy (1500+1040)x385x27%萃取率=J=-L sre'a= 65 =67.7%mx mx 1500x40%二级错流接触萃取:士所妥my+mymx—mx1500x40%-1060x15.2%,UE1500x40%萃取率= = R^^1500x40%mx mx由结果可知两级错流萃取优于单级萃取。图3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:XF= =16%%=0.064FmF=120kg/h mB=mp-(1-6%)=112.8kg/hXnV0.5%/-0.5%)=1/199=0.005mS=25kg/hmfXmmfXmSn-1+-bxX +Yn-1m n-1 SSYs=0,mB/ms=112.8/25=4.512代入上式得出:Yn=-4.512Xn+4.512Xn1Yn=2.2Xn
图解法:首先在直角坐标系上作出分配曲线,如图4;根据XF和救确定L点,过L点作斜率为-m/ms的操作线,与分配曲线相交于点EX,匕),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作垂直线与件板线交于V(X1,*),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,r2),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图4解析法第一级萃取相平衡关系为:匕=砍1•••X1Fm•••X1 B Km1+——s令Km/mB=A令Km/mB=Am则上式变为:对第二级萃取则有:X(1+A)同理,对第n级萃取则有:整理上式得:inn)整理上式得:inn)ln代入已知条件:Ys=0,Xf=0.064,K=2.2,Km,m舟A^=(2.2x25)/112.8=0.488得n=ln得n=ln(1+0.488)垣=6.410.005)5在25°C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15OOkg/h,溶剂比(m/mQ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:xp=O.45,mF=15OOkg/h,mS/
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