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单元作业9-1

9-1. 25°C时醋酸(A)–庚醇-3(B)–水(S)的平衡数据如本题附表所示。

附表1 溶解度曲线数据

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Ak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?单元作业9-29-2. 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1 000kg/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作业9-1。

单元作业 9 – 1

(1)绘制曲线

  • 溶解度曲线及辅助曲线:以醋酸(A)质量分数为横坐标,水(S)质量分数为纵坐标(庚醇 – 3 质量分数可由 100 减去 A 和 S 质量分数得到 ),根据附表 1 数据描点,然后用平滑曲线连接得到溶解度曲线。通过作一系列平行于三角形底边的直线,与溶解度曲线相交,再从交点作垂直于底边的直线,找出共轭相组成点,连接这些点得到辅助曲线。
  • 分配曲线:以水层中醋酸质量分数为横坐标,庚醇 – 3 层中醋酸质量分数为纵坐标,根据附表 2 数据描点,用平滑曲线连接得到分配曲线。

(2)确定物系点及共轭相组成和质量

  • 物系点位置:混合液总质量\(m = 200 + 200 + 400=800kg\),醋酸质量分数\(x_{A}=\frac{200}{800}=25\%\),庚醇 – 3 质量分数\(x_{B}=\frac{200}{800}=25\%\),水质量分数\(x_{S}=\frac{400}{800}=50\%\) ,在直角三角形相图中确定该物系点位置。
  • 共轭相组成和质量:通过辅助曲线找到与该物系点对应的两共轭相。假设从图中得到水层(E 相)组成:醋酸\(x_{AE}\)、庚醇 – 3\(x_{BE}\)、水\(x_{SE}\);庚醇 – 3 层(R 相)组成:醋酸\(x_{AR}\)、庚醇 – 3\(x_{BR}\)、水\(x_{SR}\) 。 根据杠杆规则,\(m_{E}+m_{R}=800kg\)\(m_{E}\times\overline{ME}=m_{R}\times\overline{MR}\)\(\overline{ME}\)\(\overline{MR}\)为线段长度 ),计算出\(m_{E}\)\(m_{R}\)

(3)计算分配系数\(k_{A}\)及选择性系数\(\beta\)

  • 分配系数\(k_{A}\)\(k_{A}=\frac{x_{AE}}{x_{AR}}\),将前面得到的共轭相组成中醋酸质量分数代入计算。
  • 选择性系数\(\beta\)\(\beta=\frac{k_{A}}{\frac{x_{BE}}{x_{BR}}}=\frac{x_{AE}x_{BR}}{x_{AR}x_{BE}}\) ,代入共轭相组成中醋酸和庚醇 – 3 质量分数计算。

(4)计算蒸出水量

设蒸出\(m_{w}\)千克水成为均相溶液。此时混合液组成要在溶解度曲线以外。通过试差法,改变水的含量,重新计算混合液组成,当组成点在溶解度曲线以外时,对应的水减少量就是\(m_{w}\) 。

单元作业 9 – 2

(1)计算水的用量

设水的用量为\(m_{S}kg/h\),原料液质量\(m_{F}=1000kg/h\),其中醋酸质量\(m_{F,A}=1000\times30\% = 300kg\),庚醇 – 3 质量\(m_{F,B}=1000 – 300 = 700kg\) 。 根据单级萃取物料衡算:\(m_{F}+m_{S}=m_{R}+m_{E}\)\(m_{R}\)为萃余相质量,\(m_{E}\)为萃取相质量 ),\(m_{F,A}=m_{R}x_{R,A}+m_{E}x_{E,A}\)\(x_{R,A}\)为萃余相中醋酸质量分数,\(x_{E,A}\)为萃取相中醋酸质量分数 )。 已知\(x_{R,A}\leq10\%\),结合平衡数据,通过试差法或在相图上作图(利用杠杆规则 ),确定满足条件的\(m_{S}\)

(2)计算萃余相的量及醋酸的萃取率

  • 萃余相的量\(m_{R}\):根据物料衡算和前面确定的水用量,结合相平衡关系,计算出萃余相质量\(m_{R}\) 。
  • 醋酸的萃取率\(\eta\)\(\eta=\frac{m_{F,A}-m_{R}x_{R,A}}{m_{F,A}}\times100\%\) ,将相应数值代入计算。
化工原理(下)_第九章单元作业