化工原理习题解答(华南理工大学化工原理组.doc

第五章 蒸发5-1、在单效蒸发器内，将10%NaOH水溶液浓缩到25%，分离室绝对压强为15kPa，求溶液的沸点和溶质引起的沸点升高值解：查附录：15kPa的饱和蒸气压为53.5℃，汽化热为2370kJ/kg(1)查附录5，常压下25%NaOH溶液的沸点为113℃所以，Δa= 113-100=13℃所以沸点升高值为Δ=f Δa=0.729×13=9.5℃操作条件下的沸点：t=9.5+53.5=63℃(2)用杜林直线求解蒸发室压力为15kPa时，纯水的饱和温度为53.5℃，由该值和浓度25%查图5-7，此条件下溶液的沸点为65℃因此，用杜林直线计算溶液沸点升高值为Δ=63-53.5=9.5℃5-2、习题1中，若NaOH水溶液的液层高度为2m，操作条件下溶液的密度为1230kg•m-3计算因液柱引起的溶液沸点变化解：液面下的平均压力pm=24.65kPa时，查得水的饱和蒸气温度为：63℃所以液柱高度是沸点增加值为：Δ=63-53.5=9.5℃所以，由于浓度变化和液柱高度变化使得溶液的沸点提高了Δ=9.5+9.5=19℃因此，操作条件下溶液的沸点为：t=53.5+19=72.5℃5-3、在单效蒸发器中用饱和水蒸气加热浓缩溶液，加热蒸气的用量为2100kg•h-1，加热水蒸气的温度为120ºC，其汽化热为2205kJ•kg-1。

已知蒸发器内二次蒸气温度为81ºC，由于溶质和液柱引起的沸点升高值为9ºC，饱和蒸气冷凝的传热膜系数为8000W•m-2k-1，沸腾溶液的传热膜系数为3500 W•m-2k-1求蒸发器的传热面积 忽略换热器管壁和污垢层热阻，蒸发器的热损失忽略不计解：热负荷 Q=2100×2205×103/3600=1.286×106W溶液温度计t=81+9=90℃蒸汽温度T=120 ℃∵1/K=1/h1+1/h2=1/8000+1/3500∴K=2435W/m2K∴S=Q/[K(T-t)]=1.286×106/[2435×(120-90)]=17.6 m2 5-4、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℃∴ 5-5、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-18%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/hrt=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 WqmD =Q/r＇=1936×103/(2234.4×103)=0.87kg/s=3130kg/h5-6、在一中央循环管式蒸发器内将浓度为10%（质量百分率，下同）的NaOH水溶液浓缩到40%，二次蒸气压强为40kPa，二次蒸气的饱和温度为75ºC已知在操作压强下蒸发纯水时，其沸点为80ºC求溶液的沸点和由于溶液的静压强引起的温度升高的值10%及40%NaOH水溶液杜林线的斜率及截距如下：浓度（%）斜率截距10401.021.114.53.4解：溶液沸点用40%NaOH水溶液杜林线的数据计算：t1＝３４+1.11t＝３４+1.11×80＝１２２.８℃由溶液静压强引起的温度差损失：＝80-75＝5℃5-7、双效并流蒸发系统的进料速率为1t•h-1，原液浓度为10%，第一效和第二效完成液浓度分别为15%和30%。

两效溶液的沸点分别为108ºC和95ºC当溶液从第一效进入第二效由于温度降产生自蒸发，求自蒸发量和自蒸发量占第二效总蒸发量的百分数解：两效并流蒸发的流程见图qw1qw2x1=0.15qmF=1000kg/hx0=0.195˚C108˚Cx2=0.3自蒸发水分量为:其中 t1=108˚C， t2=95˚C，x1<20%，近似地 cp1=cpw（1-x1）=4.187(1-0.15)=3.56kJ/(kg˚C)95˚C时 r΄2=2270.9kJ/kg所以自蒸发量为自蒸发量占第二效总蒸发量的百分数为5-8、在三效蒸发系统中将某水溶液从5%连续浓缩到40%进料温度为90ºC用120ºC的饱和水蒸气加热末效二次蒸气的温度为40ºC各效的传热面积均为140m2各效的总传热系数分别为： K1=2950W•m-2•ºC-1, K2=2670W•m-2•ºC-1 , K1=2900W•m-2•ºC-1若忽略溶液中溶质和液柱高度引起的沸点升高和蒸发器的热损失求：原料液的流量和加热蒸气消耗量解：（1）初步估算各效的温差设Δt1=19˚CΔt2=21˚CΔt3=40˚C因为忽略各种温差损失，故各效的加热蒸汽温度及沸点为T1=120˚C r1=2205kJ/kgT2= t1= T1-Δt1=120-19=101˚C r2=r΄1 =2257kJ/kgT3= t2= T2-Δt2=101-21=80˚C r3=r΄2 =2307kJ/kgTK= t3= 40˚C r΄3 =2401kJ/kg(2)总蒸发量 (3)估算各效蒸发量及料液量因为各效溶液的比热熔均相同，故 （a） (b) (c)代入已知值解得： （d） (e) (f) (g) (h)因此，可解出qmF = 43180kg/hqmw1 = 11634kg/hqmw2 = 13454kg/hqmw3 = 12740kg/h(4)验算Δt˚C˚C˚C˚C各效温差与初估温差相差较大，应重新分配（a）分配Δt取Δt1=20˚CΔt2=20˚CΔt3=40˚C （b）估算各效沸点及相应的汽化热T2= t1= T1-Δt1=120-20=100˚C r2=r΄1 =2258kJ/kgT3= t2= T2-Δt2=100-20=80˚C r3=r΄2 =2307.8kJ/kgTK= 40˚C r΄3 =2401kJ/kg(c) 计算总蒸发量按式（a）、（b）及式（c）计算各效蒸发量代入已知值解得： 因此，可解出qmw1 = 12363kg/hqmw2 = 12780kg/hqmw3 = 12583kg/hqmF = 43240kg/h(d)验算Δt˚C˚C˚C与前面所设的Δt1=20˚CΔt2=20˚CΔt3=40˚C很相近，故认为该温差分配合适，所以qmF = 43240kg/h5-9、用双效蒸发器，浓缩浓度为5%（质量分率）的水溶液，沸点进料，进料量为2000 kg•h-1，经第一效浓缩到10%。

第一、二效的溶液沸点分别为95ºC和75ºC蒸发器消耗生蒸汽量为800 kg•h-1各温度下水蒸气的汽化潜热均可取为2280 kJ•kg-1忽略热损失，求蒸发水量解： 第一效蒸发水量：已知：qmD1=800kg/h, r1=r1΄=2280kJ/kg,qmw1= qmD1=800kg/h第二效蒸发水量：已知：qmD2= qmw1=800Kg/h,qmF2= qmF - qmw1=2000-800=1200kg/hX02=X1= qmF X0/( qmF - qmw1)=2000×0.05/(2000-800)=0.033t1=95˚C t2=70˚C r2=r2’=2280kJ/kgCpo=Cpw(1-X02)=4.187×(1-0.0833)=3.84kJ/(kg˚C) 蒸发水量qmw = qmw1+ qmw2 =800+840=1640kg/h.5-10、用三效并流加料的蒸发系统浓缩NaOH水溶液，系统对原液的处理量为2.4×104kg•h-1，求生蒸气的消耗量和各效蒸发器的传热面积参数如下：第一效：生蒸气压强：4atm进料：浓度10.6%；温度，80ºC；传热系数：K1=1500 W•m-2•ºC-1第二效：传热系数：K2=1000 W•m-2•ºC-1第三效：完成液浓度：30% 传热系数：K3=560 W•m-2•ºC-1末效冷凝器压强：0.2atm料液比热容为：3.77kJ•kg-1oC-1，（设各效传热面积相等）解：（一） 总蒸发量（二） 估算各效溶液浓度设各效水分蒸发量相等，故所以可得同理可得x2 = 0.1865=18.65%x3 = 0.3=30%（三） 估算各效溶液的沸点和有效温度差1、 蒸汽压力按等压分配原则，各效压降为atm因此，计算得各效蒸汽压力，并由此查得相应二次蒸汽压力下的参数，列表于下123二次蒸汽压力，atm3.41.80.2二次蒸汽温度，˚C137.2116.359.7二次蒸汽焓，kJ/kg273427032605二次蒸汽潜热，kJ/kg2157221623562、 计算各效温度损失，求有效温差和各效溶液的沸点由图5-7查得各效溶液的沸点tA分别为143˚C、127˚C、78。