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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/%）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200 kg 醋酸、200 kg 庚醇-3和400 kg 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A k 及选择性系数β。
（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25.0400200200200A =++=x水的质量分率为50.0400200200400S =++=x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kg 260kg 80040134013=⨯==M R()kg 540kg 260800=-=-=R M E由附图1可查得E 相的组成为A SB 0.28,0.71,0.01y y y ===R 相的组成为 A S B 0.20,0.06,0.74x x x ===（3）分配系数A A A 0.281.40.20yk x===B B B 0.010.01350.74y k x === 选择性系数 7.1030135.04.1B A ===k k β （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kg 5.494kg 80055345534=⨯==M H 需蒸发的水分量为()kg 5.305kg 5.494800=-=-H M2. 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。
实验15 液—液萃取实验一．实验目的1．了解液-液萃取原理和实验方法。
2．熟悉转盘萃取塔的结构、操作条件和控制参数。
3．掌握评价传质性能（传质单元数、传质单元高度）的测定和计算方法。
二．实验原理液-液萃取是分离液体混合物和提纯物质的重要单元操作之一。
在欲分离的液态混合物（本实验暂定为：煤油和苯甲酸的混合溶液）中加入一种与其互不相溶的溶剂（本实验暂定为：水），利用混合液中各组分在两相中分配性质的差异，易溶组分较多地进入溶剂相从而实现混合液的分离。
萃取过程中所用的溶剂称为萃取剂（水），混合液中欲分离的组分称为溶质（苯甲酸），萃取剂提取混合液中的溶质称为萃取相，剩余的混合液称为萃余相。
图2-15-1是一种单级萃取过程示意图。
将萃取剂加到混合液中，搅拌混合均匀，因溶质在萃取相的平衡浓度高于在混合液中的浓度，溶质从混合液向萃取剂中扩散，从而使溶质与混合液中的其他组分分离。
图2-15-1单级萃取过程示意图由于在液-液系统中，两相间的密度差较小，界面张力也不大，所以从过程进行的流体力学条件看，在液-液的接触过程中，能用于强化过程的惯性力不大。
为了提高液-液相传质设备的效率，常常从外界向体系加能量，如搅拌、脉动、振动等。
本实验采用的转盘萃取塔属于搅拌一类。
与精馏和吸收过程类似，由于过程的复杂性，传质性能可用理论级和级效率表示，或者用传质单元数和传质单元高度表示，对于转盘萃取塔、振动萃取塔这类微分接触萃取塔的传质过程，一般采用传质单元数和传质单元高度来表征塔的传质特性。
萃取相传质单元数N OE 表示分离过程的难易程度。
对于稀溶液，近似用下式表示：**ln *2112x x x x x x dxN x x OE --=-=⎰(2-15-1) 式中：N OE ——萃取相传质单元数x ——萃取相的溶质浓度（摩尔分率，下同） x * ——溶质平衡浓度x l 、x 2 ——分别表示萃取相进塔和出塔的溶质浓度。
萃取相的传质单元高度用H OE 表示：OE OE H/N H = (2-15-2)式中：H 为塔的有效高度（m ）。
课例研究一、教材分析和设计思路萃取作为学生进入高一年级后新接触的混合物分离和提纯的方法，是必修1第一章第一节“化学实验基本方法”的一大难点。
教材将其编排在了过滤和蒸发之后从学生的已有知识和能力水平出发，引出了新的知识“蒸馏和萃取”；同时，萃取的基本原理和实验技能又为后面的学习奠定了基础。
例如，在专题2中学生将用萃取的实验方法研究氯、溴、碘间的置换反应。
本节课设计了三个环节。
第一个环节温故知新，通过重温分离混合固体的方法和原理，引入分液的操作和原理，既揭示研究课题，复习旧知，又为下一环节创设情景，留下伏笔；第二个环节，利用“中药泡酒”的实例，引入固-液萃取，由此引出液-液萃取的原理。
第三个环节将理论付诸实践，以提取碘水中的碘为任务驱动，教师提供仪器和药品，学生分组讨论交流，形成实验方案，通过小组协作完成实验。
最后，讨论总结出萃取剂选择的原则。
整个过程关注学生的主动参与，引导学生在实验过程中感悟和提升，培养合作精神和反思意识。
二、教学目标［知识与能力］初步学会使用分液和萃取的方法对混合物进行分离和提纯［过程与方法］理解并掌握分液和萃取的原理和操作方法。
［情感态度与价值观］从具体案例中感受分液和萃取的实际应用价值。
三、教学重点和教学难点重点：分液、萃取的原理和操作方法难点：分液和萃取的差别，萃取剂的选择原则四、教法与学法分析教法：以启发式教学法为主，辅以迁移教学法，挫折教学法，实验法。
学法：小组合作、探究学习，交流讨论《萃取》教学设计■潘佳绚 衷明华 （韩山师范学院化学与环境工程学院 广东省潮州市 521000）【中图分类号】 G643.2【文献标识码】 A【文章编号】 2095-3089（2017）13-0281-02五、教学过程教学内容教师活动学生活动设计意图温故知新【展示】泥沙和食盐的混合物【提问】要如何将这两种固体分离出来？【展示】四氯化碳和水的混合物【提问】老师在准备实验的时候，不小心把四氯化碳倒进了水里面。
化工原理第十章液-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/%）习题1附表2 联结线数据（醋酸的质量分数%）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200 kg醋酸、200 kg庚醇-3和400 kg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k及选择性系数 。
（4）从上述混合液中蒸质量。
（3）上述两液层的分配系数A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25.0400200200200A=++=x水的质量分率为50.0400200200400S=++=x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kg260kg80040134013=⨯==MR()kg540kg260800=-=-=RME由附图1可查得E相的组成为A S B0.28,0.71,0.01y y y===R相的组成为A S B0.20,0.06,0.74x x x===（3）分配系数AAA0.281.40.20ykx===BBB0.010.01350.74ykx===习题1 附图1 习题1 附图2选择性系数 7.1030135.04.1BA ===k k β（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 kg 5.494kg 80055345534=⨯==M H 需蒸发的水分量为()kg 5.305kg 5.494800=-=-H M2. 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1 000 kg/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x F =0.3可确定原料的相点F ，由萃余相的组成x A =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 3726F S ⨯=⨯ kg 1423kg 100026372637=⨯=⨯=F S（2）由杠杆规则可确定萃余相的量。
4916R M ⨯=⨯ ()kg 791kg 1423100049164916=+==M R 由附图可读得萃取相的组成为 A 0.14y = 萃取率=()0.14242379176.2%10000.3⨯-=⨯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2000 kg ，每级的异丙醚用量为800 kg ，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 ） 0.6998.11.20.180.599.3习题2 附图1.41 97.1 1.5 0.37 0.7 98.92.89 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x F =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A 20000.30.2142000800x ⨯==+S 8000.2862000800x ==+由此可确定一级萃取物系点M 1的位置。
借助辅助曲线，通过试差作图可由M 1确定一级萃取的萃取相点E 1和萃余相点R 1。
由杠杆规则可得 115034.5R M ⨯=⨯ kg 19322800kg 505.34505.341=⨯==M R习题3 附图()kg 868kg 19322800111=-=-=R M E 由附图可读得一级萃取相和萃余相的组成为 110.1100.255y x ==由R 1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M 2。
与一级萃取计算方法相同可得 2930E =kg 21800R =kg 220.100.23y x ==与二级萃取计算相同，可得三级萃取计算结果 3920E =kg 31890R =kg330.080.21y x ==（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 37.526.5F S ⨯=⨯ kg 2830kg 20005.265.375.265.37=⨯==F S4. 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1 200kg/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250 kg/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。
F F F 0.060.064110.06x X x ===-- 原料中稀释剂的量为()()h kg 1128h kg 06.0112001F =-⨯=-=x F B习题4 附图操作线的斜率为 1128 4.512250B S -=-=- 过X F 作斜率为–4.512的直线，与平衡线交于Y 1，则X F Y 1为一级萃取的操作线。
过Y 1作Y 轴的平行线，与X 轴交于X 1。
过X 1作X F Y 1的平行线，与平衡曲线交于Y 2，X 1Y 2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X i 为第i 级萃余相的组成，直至X n 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。
F n S 2.20.0640.0050K X X Y ==≈=m 2.22500.48761128KS A B ⨯=== ()F S n S m 0.064ln ln 0.005 6.4ln 1ln 10.4876X Y K X Y K n A ⎡⎤-⎢⎥-⎣⎦===++ 取n =7也可采用迭代计算求理论级数。
平衡关系为 i i 2.2Y X = 操作关系为()i i i-14.512Y X X =-- 由此可得迭代关系为 i i-10.6722X X =迭代计算结果为0F 12345670.0640.04300.02890.01940.01310.008790.005910.003970.005X X X X X X X X X =========<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2 000kg/h ，操作溶剂比（F S ）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）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。
由原料组成x F=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x n =0.06确定R n 。
联结R n 、M ，其延长线与溶解度曲线交于E 1，FE 1、R n S 两线的交点Δ即为操作点。
借助辅助曲线作图可得E 1的共轭相点R 1（第一级萃取萃余相点），联结R 1Δ与溶解度曲线交于E 2。
同理可找到R 2、R 3 ……，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 、E 1，并延长交AB 与E ′，E ′即为萃取液的相点，读图可得A0.65y '= h kg 1800h kg 20009.0=⨯=⎪⎭⎫⎝⎛=F F S S ()h kg 3800h kg 18002000=+=+=S F M 由杠杆规则可得 135.527E M ⨯=⨯ h kg 2890h kg 38005.35275.35271=⨯==M E 172.529E E '⨯=⨯习题5 附图h kg 1156h kg 5.722928905.72291=⨯=⨯='E E6. 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（F S ）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）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Y 1Y 2BQ 所示。
由S /F =0.8及x F =0.35可得操作线的斜率 0.80.812535165S SSBFA BSB ===⇒=+⎛⎫+ ⎪⎝⎭由最终萃取要求可确定点X n ，nnn0.050.053110.05xXx===--过点X n作斜率为0.8125的直线与直线FFF0.350.538110.35xX Xx====--交于J，则X n J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。
