化工原理第章.docx
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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:
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,并且mB/ms=,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
10
20
30
40
50
60
0
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
A
0
R5
10
E5
R4
20
E4
R3
30
E3
R2
40
E2
R1
P
50
E1
P
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。
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
X0
Y|0|
⑶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=。
⑷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=%
⑸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=+=0.20kg
mDAHDH
mAmD
mADHAH
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:
FM9.5
mSmF800201kg
MS37.8
mMmFm$8002011001kg
mEmM塑1001旦5440.8kgRE19.3
故mRmMmE1001440.8560.2kg
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%。
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:
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)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=①
mR+mE=mM=1100
联立式①和②,解得mR=331kg,mE=769kg
(4)kA=yA/xa=%/37%=
OJ02030.40.506050.80,9轨异丙碰)
图2
3在25C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
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
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=IO39.37kg/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=2020kg/h
/.mRi=>2020=I258kg/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,E2
•••mM2=I258+520=I778kg/h
/•mR2=mM2.M2E2=1778x4=1016kg/h
R2E2
(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%。
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/hmB=mF(1-6%)=112.8kg/h
XnW%%)=1/199=
ms=25kg/h
Ys=0,mB/ms=25=
代入上式得出:
Yn=+Xn-1
-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=KXi
msXfYs
令Kms/mB=Am则上式变为:
mB
X1B
1Am
vYs1
Ys
Xn
Xf
K1Am
K
同理,对第n级萃取则有:
n
1XfYs
整理上式得:
n1ln匚
In1AmyYs
Xn疋
6.4
n—1In-0.064
In10.4880.005
5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/MS=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。
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
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/ms
0
萃余相
X=mA/mB
0
xf=35%,Xf=35%心-35%)=
xn=5%,Xn=5%(1-5%)=
Ys=0
操作线丫t理XjY1mBXF
msms
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
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