化工原理第10章习题解答

...wd......wd......wd...第10章习题解答1在操作条件下，以纯洁的氯苯为萃取剂，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此题附表。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假设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假设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，尚需参加多少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，并要求到达萃取平衡时，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假设将条件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B099.890.11A00.1899.82R51089.790.21E510.790.4988.72R42079.690.31E422.230.7976.98R33069.420.58E337.481.7260.80R24058.641.36E249.443.0547.51R15046.283.72E159.197.2433.57P60.5825.6613.76P60.5825.6613.76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1-2X00.1140.2510.4660.682Y00.1210.290.6161.04⑶由XF=0.4，在图1-2上，自点XF作斜率为－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1-2⑷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％)：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％依以上数据在此题附图1-3的BS边上确定点D，联AD线与溶解度曲线相交于点H。假设参加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时所参加的丙酮量mA。计算过程如下：设原混合液的量为mD，即mD=0.08+0.12=0.20kg,由此题附图1-3量得：线段=19.2〔单位长度〕，=33〔单位长度〕，故需参加的丙酮量应略大于⑹依原料液组成在此题附图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1-42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℃时醋酸-水-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)0.6998.11.20.180.599.31.497.11.50.370.798.92.795.71.60.790.898.46.491.71.91.91.097.113.384.42.34.81.993.325.571.13.411.403.984.737.058.64.421.606.971.544.345.110.631.1010.858.146.437.116.536.2015.148.7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=/=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=/=2.3/5.35①mR+mE=mM=1100②联立式①和②，解得mR=331kg，mE〔4〕kA=yA/xA=17.8%/37%=0.48β=kA/kB=(yA/xA)·(xB/yB)=(17.8/37)·〔60.2/5〕=5.8图23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1500kg⑴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假设将⑴求得的萃取剂用量分作两等份进展两级错流萃取，试求最终萃余相的流量和组成。⑶比拟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：(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=1500×0.693=1039.37k(2)二级错流接触萃取时mS1=mS2=520k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∴mR1=0.62×2020=1258k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∴mR2=mM2·=1778×=1016kg/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：mF=120kg/hmB=mF·(1-6%)=112.8kg/hXn≤0.5%/(1-0.5%)=1/199=0.005mS=25kg/hYS=0，mB/mS=112.8/25=4.512代入上式得出：Yn=-4.512Xn+4.512Xn-1∵Yn=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：代入条件：YS=0，XF=0.064，K=2.2，KmS/mB=Am=〔2.2×25〕/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解：绘制相图，如图5。由：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0.8。操作条件下的平衡数据(质量分数%)如此题附表所示。假设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)00.0599.95099.920.0811.050.6788.285.0294.820.1618.951.1579.9011.0588.710.2424.101.6274.2818.980.720.3828.602.2569.1525.5073.920.5831.552.8765.5836.1062.051.8535.053.9561.044.9550.874.1840.606.4053.053.2037.908.9049.013.2037.8049.013.2037.80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/mS00.1250.2370.3240.4140.4810.5750.7661.296萃余相X=mA/mB00.0530.1250.2340.34