1、第10章習題解答1 在操作條件下，以純凈的氯苯為萃取劑，在單級接觸萃取器中，萃取含丙酮的水溶液。丙酮水氯苯三元混合液的平衡數據見本題附表。試求：在直角三角形坐標系下，繪制此三元體系的相圖，其中應包括溶解度曲線、聯接線和輔助曲線；若近似地將前五組數據中B與S視為不互溶，試在XY直角坐標圖上標繪分配曲線；若丙酮水溶液質量比分數為0.4，并且mB/mS=2.0，在XY直角坐標圖上求丙酮在萃余相中的濃度；求當水層中丙酮濃度為45（質量%，下同）時，水與氯苯的組成以及與該水層成平衡時的氯苯層的組成；由0.12kg氯苯和0.08kg水所構成的混合液中，尚需加入多少kg丙酮即可成為三元均相混合液；預處理含丙

2、酮35的原料液800kg，并要求達到萃取平衡時，萃取相中丙酮濃度為30，試確定萃取劑（氯苯）的用量；求條件下的萃取相和萃余相的量，并計算萃余相中丙酮的組成；若將條件時的萃取相中的溶劑全部回收，求可得萃取液的量及組成。習題1附表(質量%)水層氯苯層丙酮(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

3、.4112.5962.0722.8515.0860.5825.6613.7660.5825.6613.76解：依平衡數據繪出溶解度曲線如附圖1-1所示，圖中各點代號與數據的對應關系注于附表1-1中。聯結互成平衡的兩液層組成點得E1R1、E2R2、E2R2等平衡聯結線。附表1-1(質量%)R相E相圖中的點丙酮水氯苯圖中的點丙酮水氯苯B099.890.11A00.1899.82R51089.790.21E510.790.4988.72R42079.690.31E422.230.7976.98R33069.420.58E337.481.7260.80R24058.641.36E249.443.054

4、7.51R15046.283.72E159.197.2433.57P60.5825.6613.76P60.5825.6613.76由E1、E2、E3各點作平行于AB邊的直線，再由R1、R2、R3各點作平行于AS邊的直線，兩組線分別相交于點G、H、I、J、K，連接P、G、H、I、J、K即得輔助曲線。將前五組數據轉換為質量比濃度，其結果列于附表1-2中，并在XY直角坐標圖上標繪分配曲線，如圖1-2。附表1-2X00.1140.2510.4660.682Y00.1210.290.6161.04由XF=0.4，在圖1-2上，自點XF作斜率為mB/mS=2.0的直線與分配曲線相交于點T，點T的橫坐標即為

5、丙酮在萃余相中的濃度XR=0.25。 圖1-1 圖1-2水層中各組分的濃度由所繪制的溶解度曲線如圖1-3，在AB邊上確定組分A的濃度為45的點F，由點F繪直線FW平行于三角形底邊BS，則FW線上各點表示A的組成均為45。FW與溶解度曲線左側的交點R，即代表水層中含A為45的組成點，由圖可讀得點R組成為(質量)：xA=45 xB=52.8 xS=2.2與水層相平衡的氯苯層組成利用所繪的輔助曲線從點R求出與之相平衡的氯苯層E。即由點R作AS邊的平行線與輔助曲線相交于點G，由點G作直線平行于AB邊，與溶解度曲線右側相交于點E，點E即為與R成平衡的氯苯層組成點。由圖可讀出其組成為：yA=54.9 yB

6、=4.3 yS=40.8由0.12kg氯苯和0.08kg水構成的混合液，其質量分數為：xB=0.08/(0.08+0.12)=40, xS=0.12/(0.08+0.12)=60依以上數據在本題附圖1-3的BS邊上確定點D，聯AD線與溶解度曲線相交于點H。若加入的丙酮量可以使混合液組成點在AD線上跨過H點，則此混合液可變為均相。依杠桿定律可確定當混合液組成點為H時所加入的丙酮量mA。計算過程如下：設原混合液的量為mD，即mD=0.08+0.12=0.20kg, 由本題附圖1-3量得：線段=19.2（單位長度），=33（單位長度），故需加入的丙酮量應略大于依原料液組成在本題附圖1-4上確定點F，

7、聯SF線；由萃取相濃度yA=30確定點E，并利用輔助曲線由點E作圖得點R。聯ER與FS線相交于點M。依杠桿定律可求萃取劑用量mS，即： 又 故 由圖1-4可讀出萃余相中丙酮的組成：26%。在圖1-4上連接SE，并延長與AB邊相交于點，點對應坐標即為萃取液的組成，由圖1-4讀得丙酮含量為95%。由圖可視R與萃余液的組成點重合，即滿足：萃取液的質量為： 圖1-3 圖1-42 以異丙醚為萃取劑，從濃度為50(質量分數)的醋酸水溶液中萃取醋酸。在單級萃取器中，用600kg異丙醚萃取500kg醋酸水溶液，20時醋酸-水-異丙醚系統的平衡數據如本題附表所示。試求：在直角三角形相圖上繪出溶解度曲線及輔助曲線

8、。 確定原料液與萃取劑混合后，混合液M的坐標位置。 由三角形相圖求出此混合液分為兩個平衡液層E與R后，兩液層的組成和質量。 上述兩液層的分配系數KA及溶劑的選擇性系數。習題2附表(質量%)在萃余相R(水層)中在萃取相E(異丙醚層)中醋酸(A)水(B)異丙醚(S)醋酸(A)水(B)異丙醚(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.

9、345.110.631.1010.858.146.437.116.536.2015.148.7解：（1）由題給數據作溶解度曲線及輔助曲線，如圖2。（2）由mS/mF=/=600/500=6/5,作圖得M點（3）借助輔助曲線，試差作圖，得點E和R。由圖讀得E相： yA=17.8%，yB=5.0% ，yS=77.2% R相： xA=37% ，xB=60.2% ，xS=2.8%mR/mE=/=2.3/5.35 mR+mE=mM=1100 聯立式和，解得mR=331kg，mE=769kg（4）kA= yA/ xA=17.8%/37%=0.48= kA/kB= (yA/ xA)·(xB/ yB

10、)=(17.8/37) ·（60.2/5）=5.8 圖23 在25下，用甲基異丁基甲酮（MIBK）從含丙酮40(質量分數)的水溶液中萃取丙酮。原料液的流量為1500kg/h。操作條件下的平衡數據見本題附表。試求：當要求在單級萃取裝置中獲得最大組成的萃取液時，萃取劑的用量為多少(kg/h)?若將求得的萃取劑用量分作兩等份進行兩級錯流萃取，試求最終萃余相的流量和組成。比較、兩種操作方式中丙酮的萃出率。習題3附表1 溶解度曲線數據(質量%)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

11、.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習題3附表2 聯結線數據(丙酮的質量%)水 層MIBK層水 層MIBK層5.5810.6629.540.011.8318.032.042.515.3525.536.045.520.630.538.047.023.835.341.548.0解：(1)過S作溶解度曲線的切線，切點為E，由E點和輔助曲線確定共軛點R，連接ER與線FS相交于M點，

12、由杠桿定律有：mS/mF=/=4.4/6.35=0.693 mS =1500×0.693=1039.37kg/h(2)二級錯流接觸萃取時mS1=mS2=520kg/h第一級萃取滿足關系：mS1/mF =/=1500/520=2.88在圖上找出M1點，利用輔助曲線通過試差法，確定R1，E1mR1/mM1=/=3.3/5.3=0.62mM1=1500+520=2020 kg/hmR1=0.62×2020=1258 kg/h第二級萃取滿足關系：mR1/mS=/=1258/520=2.42在圖上找出M2點，利用輔助曲線通過試差法，確定R2，E2mM2=1258+520=1778 k

13、g/hmR2= mM2·=1778×=1016 kg/h萃余相R2的組成由圖讀得：xA=15.2% xB=81.8% xS=3%(3) 丙酮萃取率：單級萃取：萃取率=二級錯流接觸萃取：萃取率=由結果可知兩級錯流萃取優于單級萃取。圖34 在多級錯流接觸萃取裝置中，用水從含乙醛6(質量分數，下同)的乙醛-甲苯混合液中提取乙醛。原料液的流量為120kg/h，要求最終萃余相中乙醛含量不大于0.5。每級中水的用量均為25kg/h。操作條件下，水和甲苯可視作完全不互溶，以乙醛質量比組成表示的平衡關系為：Y=2.2X。試在直角坐標系上用作圖法和解析法分別求所需的理論級數。解：mF=120

14、kg/h mB= mF·(1-6%)=112.8 kg/hXn0.5%/(1-0.5%)=1/199=0.005mS=25 kg/h YS=0，mB/mS =112.8/25=4.512代入上式得出：Yn=-4.512Xn+4.512 Xn-1Yn=2.2 Xn圖解法：首先在直角坐標系上作出分配曲線，如圖4；根據XF和YS確定L點，過L點作斜率為mB/mS的操作線，與分配曲線相交于點E1(X1，Y1)，其坐標值表示離開第一級的萃取相E1與萃余相R1的組成。再過E1作垂直線與Y=YS線交于V(X1，YS)，因各級萃取劑用量相等，通過V點作LE1的平行線與分配曲線交于點E2(X2，Y2)

15、，此點坐標為離開第二級的萃取相E2與萃余相R2的組成。依此類推，直至萃余相組成等于或低于指定值Xn為止。累計所作操作線的數目即為所求的理論級數n。圖4解析法第一級萃取相平衡關系為：Y1=KX1令KmS/mB=Am則上式變為：對第二級萃取則有：同理，對第n級萃取則有：整理上式得：代入已知條件：YS=0，XF=0.064，K=2.2，KmS/mB=Am=（2.2×25）/112.8=0.488得 5 在25下，以甲基異丁基甲酮(MIBK)為萃取劑，用逆流接觸萃取操作，從含有45(質量分數)丙酮的水溶液中萃取丙酮。原料液的流量為1500kg/h，溶劑比(mS/mF)為0.87，要求最終萃余

16、相中丙酮的組成不大于2.5(質量分數)。試用直角三角形坐標求需要幾個萃取理論級?操作條件下的平衡數據見習題3附表。解：繪制相圖，如圖5。由已知：xF=0.45，mF=1500kg/h，mS/mF=0.87（1）由xF=0.45，在相圖上定F點，并作聯線FS。 mS/mF = /=/-1 =/（1+ mS/mF）=11/（1+0.87）=5.88，由此，找出M點。（2）按末級萃余相濃度xN=0.025，在溶解度曲線上找出RN點，聯接并延長與溶解度曲線相交于E1點，E1點即為離開第一級的萃取相濃度。（3）將聯線和延長，得交點。（4）過E1點作平衡聯結線得R1，此為第一級。（5）作直線與溶解度曲線相

17、交為點E2，過E2作平衡聯結線，找出R2，R20.025，故理論級為2。圖56 在多級逆流萃取裝置中用純氯苯萃取吡啶水溶液中的吡啶。原料液中吡啶的質量分率為35，要求最終萃余相中吡啶組成不大于5。操作溶劑比為0.8。操作條件下的平衡數據(質量分數%)如本題附表所示。若將水和氯苯視作完全不互溶，試在直角坐標系上求解所需的理論級數，并求操作溶劑用量為最小用量的倍數。 習題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.

18、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：由表中平衡數據，因水和氯苯視為完全不互溶，因此將數據變為質量比組成，得下表，并作分配曲線，如圖6。萃取相Y=mA/mS00.1250.2370.3240.4140.4810.5750.7661.296萃余相X=mA/mB00.0530.1250.2340.3450.5820.8841.4043