化工原理 (柴诚敬 著) 高等教育出版社 课后答案 第六章 蒸发

co
m
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
F W1 L1 234.6 500 kg/h=734.6 kg/h
x0 ) 234.6 kg/h 0.16
3
kh
Q 740 10 3 m2=11.54 m2 K 0 t m 1160 55.3
W2 r2 L1C p (t2 t1 ) 250 2283.1 500 3.52 (25) kg/h=234.6 kg/h r1 2245.4
kh
Lg
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
da
1
课
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
t3 55C
p1 185.5 kPa
同理
p 2 100.6 kPa
可见，不同简化方法估算溶液的沸点值有一定差别。
ww
w.
4
kh
da
t 2 99.9 ℃
课
后
答
t1 117.6 ℃
w.
案
（2）等压力降原则的沸点 相邻两效间的压力差为 270.3 15.74 kPa=84.85 kPa pi 3
m
W 347.1 0.8486 D 409.0 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C 0 =3.90 kJ/(kg ·℃)，进料温度为 30 ℃。操作压力下，溶液的沸点为 。当地大气压为 101.3 kPa。蒸发器的总传热系数K 0 =1 65 ℃，加热蒸汽压力为 105 Pa（表压） 2 （2）加热蒸汽消耗量； （3）蒸发 160 W/(m ·℃)，其热损失为 8 kW。试求（1）产品的流量； 器的传热面积。 解： （1）产品流 273)2 f a = 13.07 ℃=11.5 ℃ 0.0162 2304.5
w.
网
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t A 。 =（93–81.2）℃=11.8 ℃ （2）用式 6-17 经验公式估算
W F (1 x0 0.15 kg/h=1050 kg/h ) 1500 (1 ) x1 0.50
x 15 L F W F 1 (1 0 ) 1500 kg/h=450 kg/h 50 x1
6 Q 1500 3.90 (65 30) 1050 2343.4 kJ/h=2.665×10 kJ/h=740 kW
2
kh
4 198000 kg/h=347.1 kg/h 2281.6
842.4 1.083 777.8 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C 0 =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 ℃。 （3） 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x 0 ； 加热蒸汽消耗量和经济性。 解： （1）有效温差和温差损失
da
课
1222 1.164 1050 (3)蒸发器的传热面积 e
后
答
w.
（2）65 ℃下水的汽化热为 r =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 Wr FC p 0 (t1 t0 ) QL 1050 2343.4 1500 3.90 (65 30) 3600 8 = kg/h D r 2204.5 =1222 kg/h
co
（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 WH ( F W ) h1 Fh0 QL D r 777.8 2702.5 (1000 777.8) 545 1000 220 3600 12 = kg/h=943.9 kg/h 2168.1
x0 x ) 1000 (1 0 ) kg/h 347.1 kg/h 0.28 x1
da
课
后
答
案
e
网

2168.1
w.

D 777.8 2702.5 (1000 777.8) 545 1000 440 3600 12 kg/h=842.4kg/h
W1 734.6 (1
下水的汽化热 r1 =2 245.4 kJ/kg，物料平均比热容c p =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 r2 =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x 0 。 解： W2 L1 (1 x1 ) 500 (1 0.16 ) kg/h=250 kg/h x2 0.32
W F (1
x0 0.10 kg/h=777.8 kg/h ) 1000 (1 ) x1 0.45
D 943.9 1.214 W 777.8 115 ℃加料时 e
tm T t1 125 98 ℃=27 ℃
ww
w.
W
t1 T 98 91 ℃=7℃ （2）料液组成 91 ℃下蒸汽的冷凝热 r 2281.6 kJ/kg
案
网
co
m
解得 x 0 =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。 、第三效溶液的沸点t 3 =55℃ 已知第一效的生蒸汽压力p 0 =270.3 kPa（对应饱和温度 130 ℃） 。各效的总传热系数分别为：K 0,1 =2600 W/(m2·℃)，K 0,2 =2000 W/(m2· （对应p 3 =15.74 k Pa） 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： ℃)， K 0,3 =1400 W/(m2·℃)。 （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
FC p 0 (t t 0 ) 1000 3.96 (70 20) kJ h 1.98 10 5 kJ h
W F (1
x0 0.1828
（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 Wr FC p 0 (t1 t ) QL 347.1 2263.4 1000 3.96 (98 70) = kg/h 409.0 kg/h D 2191.8 r
1 1 K 0,1 2600 t1 tm (130 55) 18.04C 1 1 1 1 1 1 K 0,1 K 0,2 K 0,3 2600 2000 1400
t1 130 18.04 ℃=111.96 ℃
同理
t2 23.45C
t2 88.51C
第六章
蒸发
质存在引起的沸点升高 a =1 ℃，试求溶液的沸点t B 。
tB 41.3 41.3 1 1.5 43.8
ww
w.
pm p
的计算如下：
2 与 43.8 ℃相对应的压力 p =9.25 kPa 1160 2.0 9.81 kPa=20.63 kPa 则 pm 9.25 1000 2 与p m 对应的溶液沸点为 60.7 ℃，即t B =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
网
co
m
tm T tB 120.3 65 ℃=55.3 ℃
S0
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x 1 （质量分数，下同） ，流量为L 1 =500 kg/h，溶液沸点为 105 ℃（即二次蒸汽温度） ，该温度
ww
w.
D2 W1