第十章液液萃取和液固浸取.docx
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第十章液液萃取和液固浸取
第十章液-液萃取和液-固浸取
1.25℃时醋酸（A）–庚醇-3（B）–水（S）的平衡数据如本题附表所示。
习题1附表1溶解度曲线数据（质量分数/%）
醋酸（A）
庚醇-3（B）（333（B）
水（S）
醋酸（A）
庚醇-3（B）-3（B）-3（B）-3（B）3（B）
水（S）
0
96.4
3.6
48.5
12.8
38.7
3.5
93.0
3.5
47.5
7.5
45.0
8.6
87.2
4.2
42.7
3.7
53.6
19.3
74.3
6.4
36.7
1.9
61.4
24.4
67.5
7.9
29.3
1.1
69.6
30.7
58.6
10.7
24.5
0.9
74.6
41.4
39.3
19.3
19.6
0.7
79.7
45.8
26.7
27.5
14.9
0.6
84.5
46.5
24.1
29.4
7.1
0.5
92.4
47.5
20.4
32.1
0.0
0.4
99.6
习题1附表2联结线数据（醋酸的质量分数%）
水层（S）
庚醇-3层
水层
庚醇-3层
6.4
5.3
38.2
26.8
13.7
10.6
42.1
30.5
19.8
14.8
44.1
32.6
26.7
19.2
48.1
37.9
33.6
23.7
47.6
44.9
试求：
（1）在直角三角形相图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，在直角坐标图上绘出分配曲线。
（2）确定由200kg醋酸、200kg庚醇-3和400kg水组成的混合液的物系点位置。
混合液经充分混合并静置分层后，确定两共轭相的组成和质量。
（3）上述两液层的分配系数
及选择性系数
。
（4）从上述混合液中蒸出多少千克水才能成为均相溶液？
解：
（1）溶解度曲线如附图1中曲线SEPHRJ所示。
辅助曲线如附图1曲线SNP所示。
分配曲线如附图2所示。
（2）和点醋酸的质量分率为
水的质量分率为
由此可确定和点M的位置，如附图1所示。
由辅助曲线通过试差作图可确定M点的差点R和E。
由杠杆规则可得
习题1附图1
习题1附图2
由附图1可查得E相的组成为
R相的组成为
（3）分配系数
选择性系数
（4）随水分的蒸发，和点M将沿直线SM移动，当M点到达H点时，物系分层消失，即变为均相物系。
由杠杆规则可得
需蒸发的水分量为
2.在单级萃取装置中，以纯水为溶剂从含醋酸质量分数为30%的醋酸–庚醇-3混合液中提取醋酸。
已知原料液的处理量为1000kg/h，要求萃余相中醋酸的质量分数不大于10%。
试
（1）水的用量；
（2）萃余相的量及醋酸的萃取率。
操作条件下的平衡数据见习题1。
解：
（1）物系的溶解度曲线及辅助曲线如附图所示。
由原料组成xF=0.3可确定原料的相点F，由萃余相的组成xA=0.1可确定萃余相的相点R。
借助辅助曲线，由R可确定萃取相的相点E。
联结RE、FS，则其交点M即为萃取操作的物系点。
由杠杆规则可得
习题2附图
（2）由杠杆规则可确定萃余相的量。
由附图可读得萃取相的组成为
萃取率=
3.在三级错流萃取装置中，以纯异丙醚为溶剂从含醋酸质量分数为30%的醋酸水溶液中提取醋酸。
已知原料液的处理量为2000kg，每级的异丙醚用量为800kg，操作温度为20℃，试求
（1）各级排出的萃取相和萃余相的量和组成；
（2）若用一级萃取达到同样的残液组成，则需若干千克萃取剂。
20℃时醋酸（A）–水（B）–异丙醚（S）的平衡数据如下：
习题3附表20℃时醋酸（A）–水（B）–异丙醚（S）的平衡数据（质量分数）
水相
有机相
醋酸（A）
水（B）
异丙醚（S）
醋酸（A）
水（B）
异丙醚（S）
0.69
98.1
1.2
0.18
0.5
99.3
1.41
97.1
1.5
0.37
0.7
98.9
2.89
95.5
1.6
0.79
0.8
98.4
6.42
91.7
1.9
1.9
1.0
97.1
13.34
84.4
2.3
4.8
1.9
93.3
25.50
71.7
3.4
11.4
3.9
84.7
36.7
58.9
4.4
21.6
6.9
71.5
44.3
45.1
10.6
31.1
10.8
58.1
46.40
37.1
16.5
36.2
15.1
48.7
解：
由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，如附图所示。
由原料组成xF=0.3，在图中确定原料相点F。
由物料衡算确定一级萃取物系的组成
习题3附图
由此可确定一级萃取物系点M1的位置。
借助辅助曲线，通过试差作图可由M1确定一级萃取的萃取相点E1和萃余相点R1。
由杠杆规则可得
由附图可读得一级萃取相和萃余相的组成为
由R1的量及组成，以及所加萃取剂的量，通过物料衡算可求得二级萃取的物系点M2。
与一级萃取计算方法相同可得
kg
kg
与二级萃取计算相同，可得三级萃取计算结果
kg
kg
（2）若采用一级萃取达到同样的萃取效果，则萃取物系点为附图中的N点。
由杠杆规则可得
习题4附图
4.在多级错流萃取装置中，以水为溶剂从含乙醛质量分数为6%的乙醛—甲苯混合液中提取乙醛。
已知原料液的处理量为1200kg/h，要求最终萃余相中乙醛的质量分数不大于0.5%。
每级中水的用量均为250kg/h。
操作条件下，水和甲苯可视为完全不互溶，以乙醛质量比表示的平衡关系为Y=2.2X。
试求所需的理论级数。
解：
（a）直角坐标图解法在X–Y直角坐标图上绘出平衡曲线Y=2.2X，如附图所示。
原料中稀释剂的量为
操作线的斜率为
过XF作斜率为–4.512的直线，与平衡线交于Y1，则XFY1为一级萃取的操作线。
过Y1作Y轴的平行线，与X轴交于X1。
过X1作XFY1的平行线，与平衡曲线交于Y2，X1Y2即为二级萃取的操作线。
同理可作以后各级萃取的操作线，其中Xi为第i级萃余相的组成，直至Xn小于或等于所规定的组成0.005为止。
操作线的条数即为理论级数，即
n=7
（b）解析法由于B与S不互溶，故可采用式（10–35）计算理论级数。
取n=7
也可采用迭代计算求理论级数。
平衡关系为
操作关系为
由此可得迭代关系为
迭代计算结果为
即所需理论级数为7级。
5.在多级逆流萃取装置中，以水为溶剂从含丙酮质量分数为40%的丙酮–醋酸乙酯混合液中提取丙酮。
已知原料液的处理量为2000kg/h，操作溶剂比（
）为0.9，要求最终萃余相中丙酮质量分数不大于6%，试求
（1）所需的理论级数；
（2）萃取液的组成和流量。
操作条件下的平衡数据列于本题附表。
习题5附表丙酮（A）–醋酸乙酯（B）–水（S）的平衡数据（质量分数）
萃取相
萃余相
丙酮（A）
醋酸乙酯（B）
水（S）
丙酮（A）
醋酸乙酯（B）
水（S）
0
7.4
92.6
0
96.3
3.5
3.2
8.3
88.5
4.8
91.0
4.2
6.0
8.0
86.0
9.4
85.6
5.0
9.5
8.3
82.2
13.5
80.5
6.0
12.8
9.2
78.0
16.6
77.2
6.2
14.8
9.8
75.4
20.0
73.0
7.0
17.5
10.2
72.3
22.4
70.0
7.6
21.2
11.8
67.0
27.8
62.0
10.2
26.4
15.0
58.6
32.6
51.0
13.2
解：
（1）由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，如附图所示。
习题5附图
由原料组成xF=0.40，在图中确定原料相点F。
F=1000kg/h、S/F=0.9，再根据杠杆规则可确定F、S的和点M。
由最终萃取要求xn=0.06确定Rn。
联结Rn、M，其延长线与溶解度曲线交于E1，FE1、RnS两线的交点Δ即为操作点。
借助辅助曲线作图可得E1的共轭相点R1（第一级萃取萃余相点），联结R1Δ与溶解度曲线交于E2。
同理可找到R2、R3……，直至萃余相的组成小于0.06为止，操作线的条数即为理论级数。
由作图可得
n=6
（2）联结S、E1，并延长交AB与E′，E′即为萃取液的相点，读图可得
由杠杆规则可得
6.在多级逆流萃取装置中，以纯氯苯为溶剂从含吡啶质量分数为35%的吡啶水溶液中提取吡啶。
操作溶剂比（
）为0.8，要求最终萃余相中吡啶质量分数不大于5%。
操作条件下，水和氯苯可视为完全不互溶。
试在X–Y直角坐标图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。
操作条件下的平衡数据列于本题附表。
习题6附表吡啶（A）–水（B）–氯苯（S）的平衡数据（质量分数）
萃取相
萃余相
吡啶（A）
水（B）
氯苯（S）
吡啶（A）
水（B）
氯苯（S）
0
0.05
99.95
0
99.92
0.08
11.05
0.67
88.28
5.02
94.82
0.16
18.95
1.15
79.90
11.05
88.71
0.24
24.10
1.62
74.48
18.9
80.72
0.38
28.60
2.25
69.15
25.50
73.92
0.58
31.55
2.87
65.58
36.10
62.05
1.85
35.05
3.59
61.0
44.95
50.87
4.18
40.60
6.40
53.0
53.20
37.90
8.90
49.0
13.20
37.80
49.0
13.20
37.80
解：
将以质量分数表示的平衡数据转化为质量比表示，其结果列于附表2中。
习题6附表2
萃取相（Y）
0
0.125
0.237
0.324
0.414
0.481
0.575
0.766
1.30
萃余相（X）
0
0.0529
0.125
0.234
0.345
0.582
0.884
1.40
3.71
由表中数据在X–Y直角坐标系中绘出平衡曲线，如附图中曲线Y1Y2BQ所示。
由S/F=0.8及xF=0.35可得操作线的斜率
由最终萃取要求可确定点Xn，
习题6附图
过点Xn作斜率为0.8125的直线与直线
交于J，则XnJ即为操作线。
在平衡曲线与操作线之间作阶梯至X<0.053，所作的级梯数即为理论级数。
由作图可得理论级数为
当萃取剂用量最小时，操作线的斜率最大，此时的操作线为XnB，其斜率为
7.在25℃下，用纯溶剂S在多级逆流萃取装置中萃取A、B混合液中的溶质组分A。
原料液处理量为800kg/h，其中组分A的含量为32%（质量分数，下同），要求最终萃余相中A的含量不大于1.2%。
采用的溶剂比（S/F）为0.81。
试求经两级萃取能否达到分离要求。
操作范围内级内的平衡关系为
解：
本题为校核型计算，但和设计性计算方法相同。
若求得的
，说明两级逆流萃取能满足分离要求，否则，需增加级数或调整工艺参数。
（1）对萃取装置列物料衡算及平衡关系式
（a）
组分A
（b）
组分S
（c）
式中
（d）
（e）
（f）
联立式（a）～式（f），得
（1）对第一理论级列物料衡算及平衡关系式
（g）
组分A
（h）
组分S
（i）
式中
（j）
（k）
联立式（g）～式（k），得
计算结果表明，两级逆流萃取可以达到给定的分离要求。
8.在填料层高度为3m的填料塔内，以纯S为溶剂从组分A质量分数为1.8%的A、B两组分混合液中提取A。
已知原料液的处理量为2000kg/h，要求组分A的萃取率不低于90%，溶剂用量为最小用量的1.2倍，试求
（1）溶剂的实际用量，kg/h；
（2）填料层的等板高度HETS，m；（3）填料层的总传质单元数
。
操作条件下，组分B、S可视为完全不互溶，其分配曲线数据列于本题附表。
习题8附表
X
KgA/KgB
0.002
0.006
0.01
0.014
0.018
0.020
Y
KgA/KgS
0.0018
0.0052
0.0085
0.012
0.0154
0.0171
习题8附图
解：
（1）由分配曲线数据在X–Y直角坐标系中绘出分配曲线，如附图曲线NBQ所示。
萃取剂用量最小时的操作线为XnB，其斜率为
（2）操作线的斜率为；
过点Xn作斜率为0.792的直线交X=XF=0.018于J，XnJ即为操作线。
在操作线与分配曲线之间作级梯，可得理论级数为
（3）由附图可看出，平衡线及操作线均为直线，因此，可采用积分计算填料层的传质单元数。
由附图可求得平衡线方程为
操作线方程为
习题9附图1
9.在多级逆流萃取装置中，用三氯乙烷为溶剂从含丙酮质量分数为35%的丙酮水溶液中提取丙酮。
已知原料液的处理量为4500kg/h，三氯乙烷的用量为1500kg/h，要求最终萃余相中丙酮质量分数不大于5%，试求
（1）分别用三角形相图和x–y直角坐标图求解所需的理论级数；
（2）若从萃取相中脱除的三氯乙烷循环使用（假设其中不含水和丙酮），每小时需补充解：
（1）三角形坐标图解
由平衡数据在直角三角形坐标图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，如附图1所示。
由原料组成xF=0.35确定原料的相点F；由萃取要求xn=0.05确定Rn点；由F=4500kg/h、S=1500kg/h，再根据杠杆规则确定F、S的和点M。
联结RnM并延长与溶解度曲线交于E1，则E1F和SRn的交点Δ即为操作点。
借辅助曲线作图可找到E1的共轭相点R1，联结ΔR1并延长与溶解度曲线交于E2，同理可找到E2的共轭相点R2……直至Rn的组成xn达到萃取要求，其中操作线的条数即为理论级数。
由作图可得
n=15
（2）直角坐标图解
在x–y直角坐标系中绘出分配曲线，如附图2所示。
读出三角形坐标图中的操作线所对应的萃余相和萃取相的组成x、y，将其标绘于x–y直角坐标系中，即得到一个操作点，将各操作点联结起来即得到操作线TB。
在操作线与分配曲线之间作级梯，级梯数即为理论级数，由作图可知
n=14
结果与三角形坐标图解稍有差别，是由作图误差所致。
习题9附图2
（2）由杠杆规则可知
补充萃取剂的量为
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