化工原理-第七章-蒸发.doc

化工原理-第七章-蒸发
一.选择题
1. 蒸发操作中，从溶液中汽化出来的蒸汽，常称为（ ）。 B
A. 生蒸汽 ； B. 二次蒸汽 ； C. 额外蒸汽
2. 蒸发室内溶液的沸点（ ）二次蒸汽的温度。 B
A. 等于 ； B. 高于 ； C. 低于
3. 在蒸发操作中，若使溶液在（ ）下沸腾蒸发，可降低溶液沸点而增大蒸发器的有效温度差。 A
A. 减压 ； B. 常压 ； C. 加压
4. 在单效蒸发中，从溶液中蒸发1kg水，通常都需要（ ）1kg的加热蒸汽。 C
A. 等于； B. 小于； C. 不少于
5. 蒸发器的有效温度差是指（ ）。 A
A. 加热蒸汽温度与溶液的沸点之差； B. 加热蒸汽与二次蒸汽温度之差；
C. 温度差损失
6. 提高蒸发器生产强度的主要途径是增大（ ）。 C
A. 传热温度差； B. 加热蒸汽压力；
C. 传热系数； D. 传热面积；
7. 中央循环管式蒸发器属于（ ）蒸发器。 A
A. 自然循环； B. 强制循环； C. 膜式
8. 蒸发热敏性而不易于结晶的溶液时，宜采用（ ）蒸发器。 B
A. 列文式； B. 膜式； C. 外加热式； D. 标准式
9. 多效蒸发可以提高加热蒸汽的经济程度，所以多效蒸发的操作费用是随效数的增加而（ ）。 A
A. 减少； B. 增加； C. 不变
10. 蒸发装置中，效数越多，温度差损失（ ）。 B
A. 越少； B. 越大； C. 不变
11. 采用多效蒸发的目的是为了提高（ ）。 B
A. 完成液的浓度； B. 加热蒸汽经济程度； C. 生产能力
12. 多效蒸发中，蒸汽消耗量的减少是用增加（ ）换取的。 A
A. 传热面积； B. 加热蒸汽压力； C. 传热系数
13. 多效蒸发中，由于温度差损失的影响，效数越多，温度差损失越大，分配到每效的有效温度差就（ ）。 A
A. 越小； B. 越大； C. 不变
14. （ ）加料的多效蒸发流程的缺点是料液粘度沿流动方向逐效增大，致使后效的传热系数降低。 A
A. 并流； B. 逆流； C. 平流
15. 对热敏性及易生泡沫的稀溶液的蒸发，宜采用（ ）蒸发器。 C
A. 中央循环管式； B. 列文式； C. 升膜式
二.填空题
1. 蒸发是___浓缩溶液___的单元操作。
2. 为了保证蒸发操作能顺利进行，必须不断的向溶液供给___热能___，并随排除气化出来的___溶剂蒸汽___。
3. 蒸发操作中，造成温度差损失的原因有：
(1) 溶质的存在使蒸气压下降，沸点升高 ,
(2) 液柱静压强引起 ,
(3) 管道流体阻力导致 。
4. 蒸发器的主体由___加热室 __和__蒸发室__组成。
5. 在蒸发操作中，降低单位蒸气消耗量的主要方法有：采用多效蒸发,___真空蒸发_,____加强设备保温。
6. 蒸发操作按蒸发器内压力可分为：_加压_,_常压_,_真空_蒸发。
7. 蒸发操作中，加热蒸气放出的热量主要用于：（1）二次蒸汽气化所需的潜垫（2）预热原料液（3）补偿蒸发器的热损失。
8. 并流加料的多效蒸发装置中，各效的蒸发量略有增加，其原因是料液从前一效进入后一效时有_自蒸发_。
9. 蒸发器的生产强度是指_单位传热面积上单位时间内所蒸发的水分量。
10. 蒸发器的生产能力是指_单位时间内蒸发的水分量_。
11. 单程型蒸发器的特点是溶液通过加热室一次，_不作__循环流动，且溶液沿加热管呈_膜状 流动，故又称为_液膜式_蒸发器。
12. 降膜式蒸发器为了使液体在进入加热管后能有效的成膜，在每根管的顶部装有_液体分布器_。
13. 自然循环蒸发器内溶液的循环是由于溶液的_受热程度不同，而引起的_密度差异所致。
14. 标准式蒸发器内溶液的循环路线是从中央循环管_下降_，而从其它加热管_上升 ，其循环的原因主要是由于溶液的_受热程度_不同，而引起的_密度差异_所致。
三．问答题
1998-2005-提高蒸发器内液体循环速度的意义在哪？
①提高沸腾集热系数；
②降低单程气化率；
③高速流体使污垢不易沉积
1999-2007-什么是蒸发设备的生产强度
单位传热面的蒸发量
U=W/A=Q/Ar
2001--循环型蒸发器中，降低单程气化率的目的是什么
①降低溶液在加热壁面附近的局部浓度增高现象；
②缓加热面上结垢现象。
2006--蒸发操作节能的措施
①多效蒸发；
②额外蒸汽的引出；
③二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）；
④冷凝水热量的利用

2007--提高蒸发器生产强度的途径有哪些？
①加大传热温差；
②提高蒸发器的传热系数；
③加热蒸汽的利用率
1-蒸发操作不同于一般环热过程的主要点有哪些？
溶质常析出在加热面上形成垢层；热敏性物质停留时间不得过长；与其他单元操作相比节能更重要
2-为什么要尽可能扩大管内沸腾时的汽液环状流动的区域
因为该区域的给热系数最大
3-分析比较单效蒸发器的间歇蒸发和连续蒸发的生产能力的大小。设原料液浓度，温度，完成液浓度，加热蒸汽压强以及冷凝器操作压强均相等
单效间歇蒸发起先小，生产能力大
4-多效蒸发的效数受哪些限制
经济上限制：W/D的上升达不到与效数成正比，W/A的下降与效数成反比快；
技术上限制：必须小于T-t0，而T-t0是有限的
5-比较单效与多效蒸发之优缺点
单效蒸发生产强度高，设备费用低，经济性低。多效蒸发经济性
四．计算题
1．采用标准蒸发器将10%的NaOH水溶液浓缩至25%（质量分数）。蒸发室的操作压力为50 kPa，试求操作条件下溶液的沸点升高及沸点。
解：溶液的沸点升高及沸点均按完成液来计算。
查得水的有关数据为
压力p /kPa 温度t /℃ 汽化热r /(kJ ∙kg-1)
101.3 100
50 81.2 2304.5
在101.3 kPa时，25%NaOH溶液的沸点为113.07 ℃。常压下溶液的沸点升高为
Δ a=（113.07–100）℃=13.07℃
50 kPa时，溶液的沸点升高可用两种方法计算。
（1）用杜林规则
在杜林线图的横标81.2 ℃作垂直线交组成为25%的杜林线，再由该点查得纵标的温度为93 ℃，此即50kPa下溶液的沸点tA。
=（93–81.2）℃=11.8 ℃
（2）用式6-17经验公式估算
=℃=11.5 ℃
则溶液的沸点升高为11.8 ℃，50kPa下的沸点为93 ℃。两种方法计算结果相差不大。
2．用连续操作的真空蒸发器将固体质量分数为4.0%的番茄汁浓缩至30%，加热管内液柱的深度为2.0 m，冷凝器的操作压力为8 kPa，溶液的平均密度为1 160 kg/m3，常压下溶质存在引起的沸点升高=1 ℃，试求溶液的沸点tB。
解：8 kPa压力下对应二次蒸汽温度为41.3 ℃，水的汽化热为2497 kJ/kg。取冷凝器到蒸发室的温差损失=1.5℃。溶质引起的沸点升高取常压下数据，即=1℃。则溶液的沸点为

的计算如下：

与43.8 ℃相对应的压力=9.25 kPa
则 kPa=20.63 kPa
与pm对应的溶液沸点为60.7 ℃，即tB=60.7 ℃
3．在一连续操作的单效蒸发器中将NaOH水溶液从10%浓缩至45%（质量分数），原料液流量为1 000 kg/h。蒸发室的操作绝对压力为50 kPa（对应饱和温度为81.2 ℃），加热室中溶液的平均沸点为115 ℃，加热蒸汽压力为0.3 MPa（133.3 ℃），蒸发器的热损失为12 kW。试求（1）水分蒸发量；（2）60 ℃和115 ℃两个加料温度下加热蒸汽消耗量及单位蒸汽耗用量。
解：（1）水分蒸发量
kg/h=777.8 kg/h
（2）加热蒸汽消耗量及单位蒸汽耗用量
用焓浓图计算。
10%NaOH水溶液60 ℃的焓220 kJ/kg，115 ℃的焓为440 kJ/kg；
45% NaOH水溶液115℃的焓545kJ/kg；115℃水蒸汽的焓为2702.5kJ/kg,
0.3 MPa下r=2168.1 kJ/kg。
60 ℃加料时

=kg/h=943.9 kg/h

115 ℃加料时
kg/h=842.4kg/h

显然，随加料温度提高，D及e值均下降。
4．在单效蒸发装置中，将1/4的二次蒸汽用来预热原料液。原料液的流量为1 000kg/h，温度从20 ℃升到70 ℃，其比热容C0=3.96 kJ/(kg ∙℃)。完成液的组成为0.28（质量分数，下同）。已知溶液的沸点为98 ℃，蒸发室内二次蒸汽温度为91 ℃，加热蒸汽温度为125 ℃。忽略蒸发装置的热损失。试求（1）传热的有效温差和温差损失；（2）原料液的组成x0；（3）加热蒸汽消耗量和经济性。
解：（1）有效温差和温差损失
℃=27 ℃
℃=7℃
（2）料液组成
91 ℃下蒸汽的冷凝热kJ/kg
kg/h=347.1 kg/h
kg/h

（3）加热蒸汽消耗量及其经济性
98 ℃和125 ℃的相变热分别为2263.4kJ/kg和2191.8kJ/kg
=kg/h

5．在单效真空蒸发器中将牛奶从15%浓缩至50%（质量分数），原料液流量为F=1500 kg/h， 其平均比热容C0=3.90 kJ/(kg ∙℃)，进料温度为30 ℃。操作压力下，溶液的沸点为65 ℃，加热蒸汽压力为105 Pa（表压）。当地大气压为101.3 kPa。蒸发器的总传热系数K0=1 160 W/(m2∙℃)，其热损失为8 kW。试求（1）产品的流量；（2）加热蒸汽消耗量；（3）蒸发器的传热面积。
解：（1）产品流量
kg/h=1050 kg/h
kg/h=450 kg/h
（2）65 ℃下水的汽化热为=2343.4 kJ/kg
201.3 kPa下的蒸汽冷凝热r=2204.5kJ/kg，T=120.3 ℃
忽略牛奶的稀释热，则
=kg/h
=1222 kg/h

(3)蒸发器的传热面积
kJ/h=2.665×106kJ/h=740 kW
℃=55.3 ℃
m2=11.54 m2
6．在双效并流蒸发装置上浓缩盐的水溶液。已知条件为：第1效，浓缩液的组成为x1（质量分数，下同），流量为L1=500 kg/h，溶液沸点为105 ℃（即二次蒸汽温度），该温度下水的汽化热=2 245.4 kJ/kg，物料平均比热容cp=3.52 kJ/(kg ∙℃)；第2效，完成液组成为32%，溶液沸点为90 ℃，该温度下水的汽化热=2283.1 kJ/kg。忽略溶液的沸点升高、稀释热及蒸发装置的热损失。试计算原料液的处理量F及其组成x0。
解：kg/h=250 kg/h
kg/h=234.6 kg/h
kg/h=734.6 kg/h
kg/h
解得 x0=0.1089
7．在三效并流蒸发装置上浓缩糖水溶液。沸点升高及蒸发器的热损失均可忽略不计。已知第一效的生蒸汽压力p0=270.3 kPa（对应饱和温度130 ℃）、第三效溶液的沸点t3=55℃（对应p3=15.74 k Pa）。各效的总传热系数分别为：K0,1=2600 W/(m2∙℃)，K0,2=2000 W/(m2∙℃)，K0,3=1400 W/(m2∙℃)。各效蒸发器传热面积相等。试按如下两种简化估算各效溶液沸点：
（1）各效传热量相等；
（2）各效等压力降。
解：（1）各效传热量相等的溶液沸点

℃=111.96 ℃
同理
（2）等压力降原则的沸点
相邻两效间的压力差为
kPa=84.85 kPa
kPa ℃
同理 kPa ℃
可见，不同简化方法估算溶液的沸点值有一定差别。
8、某效蒸发器每小时将1000kg的25%（质量百分数，下同）NaOH水溶液浓缩到50%。已知：加热蒸气温度为120ºC，进入冷凝器的二次蒸气温度为60ºC，溶质和液柱引起的沸点升高值为45ºC，蒸发器的总传热系数为1000 W•m-2k-1。溶液被预热到沸点后进入蒸发器，蒸发器的热损失和稀释热可以忽略，认为加热蒸气与二次蒸气的汽化潜热相等，均为2205kJ•kg-1。
求：蒸发器的传热面积和加热蒸气消耗量。
解：蒸发水份量:qmW= qmF (1-x0/x1)=1000×(1-25/50)=500Kg/h=0.139Kg/s
加热蒸汽消耗量:

∵t1=t0
∴=0.139kg/s
传热面积:
∵Q=KS(T-t) 蒸发器中溶液的沸点温度：t=60+45=105℃
∴
9、将8%的NaOH水溶液浓缩到18%，进料量为4540 kg进料温度为21ºC，蒸发器的传热系数为2349W•m-2k-1，蒸发器内的压强为55.6Kpa，加热蒸汽温度为110ºC，求理论上需要加热蒸气量和蒸发器的传热面积。
已知：8%NaOH的沸点在55.6Kpa时为88ºC，88ºC时水的汽化潜热为2298.6kJ•kg-1。
8%NaOH的比热容为3.85kJ•kg-1oC-1，110ºC水蒸气的汽化潜热为2234.4kJ•kg-1。
解：
qmw=4540(1－8/18)=2522kJ/h
rt=T－t=109.2－88=21.2℃
传热速率：
Q=qmF Cpo(t1－t0)+qmwr＇
=4540/3600×3.85×103×(88－21)+2522/3600×2298.6×103=1936×103 W

qmD =Q/r＇=1936×103/(2234.4×103)=0.87kg/s=3130kg/h

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