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m B/m s=,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%)

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。

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

X 0

Y | 0 |

⑶由X F=，在图1-2上，自点X F作斜率为一m B/m s=—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 R=。

⑷水层中各组分的浓度

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

X A=45 % X B=% x s=%

图1-2

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

R组成为（质量％）:

0.9

A 1也

副）

图1-1

0.2 0.4 0 6

A伽皿％

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：

y A = % y B =% y s =%

⑸由0.12kg 氯苯和0.08kg 水构成的混合液，其质量分数为:

X B =+=40 % , x s =+=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 m A 。计算过程如下： 设原混合液的量为 m D ，即m D =+=0.20kg

m D AH DH , m A m D

m A DH

AH

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y A =30 %确定点E ,并 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

m s ,即:

FM

9.5

m S

m F

800

201kg

MS

37.8 m M

m F m $ 800 201 1001kg

m E m M 塑 1001 旦5 440.8kg RE 19.3

故 m R m M m E 1001 440.8 560.2 kg

由本题附图1-3量得：线段A H =（单位长度）

,DH =33 （单位长度），故需加入的丙酮量应

略大于 m A 0.20 色

19.2

0.344kg

利用辅助曲线由点 m

E

m M

MR RE

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%。

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 K A 及溶剂的选择性系数 伎

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)

(1 )由题给数据作溶解度曲线及辅助曲线，如图 2。

(2) 由 m s /m F = 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 。

由图可视R 与萃余液的组成点 R 重合，即满足:

m R m E m F

???萃取液的质量为: FR E R

800 3.5 93.3kg

30

图1-3 m E m F

图1-4

由图读得 E 相：y A=%，y B=% ，y s=%

R 相：X A=37%，X B=%，x s=%

m R/m E= EM / RM = ①m R+m E=m M=1100

联立式①和②，解得m R=331kg，m E=769kg

(4)k A= y A/ X A=%/37%=

3= k A/k B= (y A/ X A)(X B/ y B)=37) (5)=

OJ 02 03 0.4 0.5 06 05 0.8 0,9

轨异丙碰）

图2

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)

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：

m s /m F = MF /MS == m s =1500 =IO39.37kg/h

(2) 二级错流接触萃取时

m si =m s2=520kg/h

第一级萃取满足关系： m si /m F = FM /SM =1500/520= 在图上找出M i 点，利用辅助曲线通过试差法，确定

R i , E i

二 m Ri /m Mi = E i M i / E i F i ==

'/mMi =i500+520=2020 kg/h

/.mRi = >2020=I258 kg/h

第二级萃取满足关系： m Ri /m s = SM 2 / RM 2 =I258/520= 在图上找出M 2点，禾U 用辅助曲线通过试差法，确定

R 2, E 2

???m M2=I258+520=I778 kg/h

/?mR2= m E2

=1778 x 4 =1016 kg/h

R 2E 2

(3) 丙酮萃取率: 单级萃取:

二级错流接触萃取:

萃余相R 2的组成由图读得：X A =%

X B =% x s =3%

RM

m y m F m s y 萃取率=匹厶

BE ——

m F x F m F x F

1500 1040

1500 40%

385

27% ---------

67.7%

萃取率=

m E 1 y i

m E 2 y 2

m F X F m R 2

X A

1500

40%

1060 15?2

% 74.5%

m F X F

m F X F

1500 40%