化工原理——其他化工单元操作过程

第八章其他化工单元操作过程

【例8-1】在中央循环管蒸发器内将NaOH水溶液由10%浓缩至20%，试求：（1）利用图8-2求50kPa时溶液的沸点。

（2）利用经验公式计算50kPa时溶液的沸点。

解：由于中央循环管蒸发器内溶液不断地循环，故操作时器内溶液浓度始终接近完成液的浓度。

从附录中查出压强为101.33kPa及50kPa时水的饱和温度分别为100℃及81.2℃，压强为50kPa时的汽化热为2304.5kJ/kg。

（1）利用图8-2求50kPa压强下的沸点50kPa压强下水的沸点为81.2℃，在图8-2的横标上找出温度为81.2℃的点，根据此点查出20%NaOH水溶液在50kPa压强下的沸点为88℃。

（2）利用经验公式求50kPa压强下的沸点用式8-5求20%NaOH水溶液的杜林线的斜率，即

k=1+0.142x=1+0.142×0.2=1.028

再求该线的截距，即

y m=150.75x2－2.71x=150.75×0.22－2.71×0.2=5.488

又由式8-4知该线的截距为

y m=t A′－kt w′=5.488

将已知值代入上式，得

t A′－1.028×81.2=5.488

解得t A′=88.96℃

即在50kPa压强下溶液沸点为88.96℃。

由于查图8-2时引入误差，以及式8-5及式8-6均为经验公式，也有一定的误差，故二种方法的计算结果略有差异。

【例8-2】在单效蒸发器中每小时将5400kg、20%NaOH水溶液浓缩至50%。原料液温度为60℃，比热容为3.4kJ/（kg·℃），加热蒸汽与二次蒸汽的绝对压强分别为400kPa及50kPa。操作条件下溶液的沸点为126℃，总传热系数K o为1560W/（m2·℃）。加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排除。热损失可以忽略不计。试求：

（1）考虑浓缩热时：①加热蒸汽消耗量及单位蒸汽耗量；②传热面积。

（2）忽略浓缩热时：①加热蒸汽消耗量及单位蒸汽耗量；②若原料液的温度改为30℃及126℃，分别求①项。

表8-1 蒸发器的总传热系数K值

蒸发器的型式

总传热系数W/（m2·℃）

水平沉浸加热式600～2300 标准式（自然循环）600～3000

标准式（强制循环）

1200～6000 悬筐式

600～3000 外加热式（自然循环） 1200～6000 外加热式（强制循环）

1200～7000 升膜式 1200～6000 降膜式 1200～3500 蛇管式

350～2300

解：从附录中分别查出加热蒸汽、二次蒸汽及冷凝水的有关参数为 400kPa ：蒸汽的焓H =2742.1kJ/kg 汽化热r =2138.5kJ/kg 冷凝水的焓h w =603.61kJ/kg 温度T =143.4℃

50kPa ： 蒸汽的焓H ′=2644.3kJ/kg 汽化热r ′=2304.5kJ/kg 温度T ′=81.2℃ （1）考虑浓缩热时

①加热蒸汽消耗量及单位蒸汽耗量

蒸发量W =F kg/h 3240502015400110=⎪⎭

⎫ ⎝

⎛-=⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛-..x x

由图8-4查出60℃时20%NaOH 水溶液的焓、126℃时50%NaOH 水溶液的焓分别为h 0=210kJ/kg ，h 1=620kJ/kg 。

用式8-10求加热蒸汽消耗量，即 ()r

Fh h W F H W D 01--+'

=

()5

.21382105400620324054003.26443240⨯-⨯-+⨯=

=4102kJ/h 266.132404102===W D e

②传热面积 m

o o

t K Q S ∆=

Q =Dr =4102×2138.5=8772×103kJ/h=2437kW K o =1560W/（m 2·℃）=1.56kW/（m 2·℃） Δt m =143.4－126=17.4℃ 所以 78.894

.1756.12437=⨯=o S m 2

取20%的安全系数，则 S o =1.2×89.78=107.7m 2 （2）忽略浓缩热时

①忽略浓缩热时按式8-21计算加热蒸汽消耗量。因忽略热损失，故式8-21改为

()()40585.2138601264.354005.23043240010=-⨯+⨯='-+'=r t t Fc r W D p kg/h

252.13240

4058==e

由此看出不考虑浓缩热时约少消耗1%的加热蒸汽。计算时如果缺乏溶液的焓浓数据，可先按不考虑浓缩热的式8-21计算，最后用适当的安全系数加以校正。

②改变原料液温度时的情况

原料液为30℃时：

()kg/h 43165213830126435400523043240=-⨯+⨯=...D

332.13240

4316==e

原料液为126℃时：

()kg/h 34925

2138126126435400523043240=-⨯+⨯=...D

078.13240

3492==e

由以上计算结果看出，原料液温度越高，蒸发1kg 水分消耗的加热蒸汽越少。

【例8-3】选择性系数的比较

已知某三组分混合液的两条平衡联结线如图11-14中ab 、cd 所示，试比较两者的选择性系数。

解：（1）对平衡联结线ab ，可作直线Sa 、Sb 并延长到AB 边，读得

24.0,77.011== A A x y 。于是，该线的选择性系数为

()()6.1024.0124.077.0177.01111111=--=--==

A

A

A A

B A B A x x y y x x y y β （2）对平衡联结线cd ，按同法可得选择性系数为

1.1211.0111.06.016.01122222=--=--=

A

A

A A

x x y y β

可见β2＞β1。

【例8-4】在25℃下以水（S ）为萃取剂从醋酸（A ）与氯仿（B ）的混合液中提取醋酸。已知原料液流量为1000kg/h ，其中醋酸的质量百分率为35%，其余为氯仿。用水量为800kg/h 。操作温度下，E 相和R 相以质量百分率表示的平均数据列于本例附表中。

试求：（1）经单级萃取后E 相和R 相的组成及流量；（2）若将E 相和R 相中的溶剂完全脱除，再求萃取液及萃余液的组成和流量；（3）操作条件下的选择性系数β；（4）若组分B 、S 可视作完全不互溶，且操作条件下以质量比表示相组成的分配系数K =3.4，要求原料