食品工程原理 第五章 习题解答

第五章习题解答
1. 什么样的溶液适合进行蒸发？
答：在蒸发操作中被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其他溶剂的溶液。

只要是在蒸发过程中溶质不发生汽化的溶液都可以。

2. 什么叫蒸发？为什么蒸发通常在沸点下进行？
答：使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。

在蒸发操作过程中物料通常处于相变状态，故蒸发通常在沸点下进行。

3. 什么叫真空蒸发？有何特点？
答：真空蒸发又称减压蒸发，是在低于大气压力下进行蒸发操作的蒸发处理方法。

将二次蒸汽经过冷凝器后排出，这时蒸发器内的二次蒸汽即可形成负压。

操作时为密闭设备，生产效率高，操作条件好。

真空蒸发的特点在于：
①操作压力降低使溶液的沸点下降，有利于处理热敏性物料，且可利用低压强的蒸汽或废蒸汽作为热源；
②对相同压强的加热蒸汽而言，溶液的沸点随所处的压强减小而降低，可以提高传热总温度差；但与此同时，溶液的浓度加大，使总传热系数下降；
③真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的投资费和操作费提高。

4. 与传热过程相比，蒸发过程有哪些特点？
答：①传热性质为壁面两侧流体均有相变的恒温传热过程。

②有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢或产生泡沫、高温下易分解或聚合；溶液的浓度在蒸发过程中逐渐增大、腐蚀性逐渐增强。

二次蒸汽易挟带泡沫。

③在相同的操作压强下，溶液的沸点要比纯溶剂的沸点高，且一般随浓度的增大而升高，从而造成有效传热温差减小。

④减少加热蒸汽的使用量及再利用二次蒸汽的冷凝热、冷凝水的显热是蒸发操作过程中应考虑的节能问题。

5. 单效蒸发中，蒸发水量、生蒸气用量如何计算？
答：蒸发器单位时间内从溶液中蒸发出的水分质量，可用热负荷来表示。

也可作物料衡算求得。

在蒸发操作中，加热蒸汽冷凝所放出的热量消耗于将溶液加热至沸点、将水分蒸发成蒸汽及向周围散失的热量。

蒸汽的消耗量可通过热量衡算来确定。

6. 何谓温度差损失？温度差损失有几种？
答：溶液的沸点温度t往往高于二次蒸汽的温度T’，将溶液的沸点温度t 与二次蒸汽的温度T'之间的差值，称为温度差损失。

蒸发操作时，造成温度差损失的原因有：因蒸汽压下降引起的温度差损失'∆、因蒸发器中液柱静压强而引起的温度差损失''∆和因管路流体阻力引起的温度差
损失'''∆。

温度差损失的存在，将使传热推动力降低。

扣除了溶液沸点升高值Δ后的传热温差，叫做有效传热温度差。

7. 何谓蒸发器的生产能力？何谓蒸发器的生产强度？怎样提高蒸发器的生产强度？
答：蒸发器的生产能力是指单位时间内从溶液中蒸发出的水分质量，即蒸发量W 。

有时也用热负荷来表示。

蒸发器的生产强度简称蒸发强度，是指单位时间、单位传热表面上蒸发出水分的质量，以U 表示。

提高蒸发强度的基本途径是提高总传热系数K 和传热温度差t ∆。

8. 蒸发时，溶液的沸点比二次蒸气的饱和温度高的原因是什么？
答：①溶液中的溶质使溶济蒸汽压下降引起的溶液沸点升高；
②蒸发器中液柱静压强而引起的溶液沸点升高；
③因蒸气的流动阻力引起的溶液沸点升高。

9. 多效蒸发中，“最后一效的操作压强是由后面的冷凝能力确定的。

”这种说法是否正确？冷凝器后使用真空泵的目的是什么？
答：不对。

蒸发室的操作压强是根据工艺操作要求，料液的特性，经济效果等应方面而定的。

最后一效操作压强是由后面冷凝器的真空度确定的，真空度太高时，会导致冷凝器冷凝困难。

冷凝器后使用真空泵的目的是去除不凝性气体。

10. 为什么要采用多效蒸发？效数是否愈多愈好？
答：在工业生产中，引入前效的二次蒸汽作为后效的加热热源，后效的加热室作为前效二次蒸汽的冷凝器，多效蒸发操作仅第一效需要消耗生蒸汽。

各效(末效除外)的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率即经济性。

随着多效蒸发效数的增加，温度差损失随之加大。

因此多效蒸发的效数是有一定限制的。

11. 用一单效蒸发器将2000kg/h 的NaCl 水溶液由11%浓缩至25%（均为质量%），试计算所需蒸发水分量。

解：蒸发水分量：010.11(1)2000(1)1120kg /h 0.25
x W F x =-=⨯-=
12. 在一蒸发器中，将2500kg/h 的NaOH 水溶液由8%浓缩至27%（均为质量%）。

已知加热蒸汽压力为450kPa ，蒸发室压力为100kPa (均为绝压)。

溶液沸点为115℃，比热为 kJ(kg/K)，热损失为70kW 。

试计算以下两种情况的加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量。

①25℃进料；
②沸点进料。

解：010.08(1)2500(1)1759kg /h 0.27
x W F x =-=⨯-=
①25℃进料
010(-)'2500 3.9(115-25)17592221702240kg /h 2128
L Fc t t Wr Q D r ++⨯+⨯+===/2240/1759 1.27e D W === ②沸点进料'17592221701836kg /h 2128
L Wr Q D r +⨯+=== /1836/1759 1.04e D W ===
13. 用一单效蒸发器将1500kg/h 的水溶液由5％浓缩至25％（均为质量％）。

加热蒸汽压力为190kPa ，蒸发压力为30kPa （均为绝压）。

蒸发器内溶液沸点为
78℃，蒸发器的总传热系数为1450W/(m 2·℃)。

沸点进料，热损失不计。

试计算：
①完成液量；
②加热蒸汽消耗量；
③传热面积。

解：010.05(1)1500(1)1200kg /h 0.25
x W F x =-=⨯-= ①完成液量300kg /h F W =-= ②加热蒸汽消耗量：'120023341267kg /h 2210Wr D r ⨯=
== ③传热面积：211267221048.3m ()1450/1000(11878)
m Q Dr A K t K T t ⨯====∆-⨯-
14.某食品厂准备用一单效膜式蒸发器将番茄汁从12%浓缩至浓度为28%（均为质量分数）。

蒸发器的传热面积为5m 2，传热系数K=1500W/(m 2·K)，加热蒸汽的温度采用115℃（其汽化潜热为，冷凝水在饱和温度下排出），蒸发室内蒸汽的温度为℃，二次蒸汽的汽化潜热为2359kJ/kg ，采用沸点进料，经计算知：△′=℃，△″=0；热损失相当于蒸发器传热量的5%。

求：
①此蒸发器每小时可处理多少kg 番茄汁？
②加热蒸汽耗量为多少kg/h ？
解：①求F
∵1()Q AK T t =-
t 1=T ′+△′+△"=++0=58℃
∴Q=5×1500(115-58)=427500W
∴30.954275000.95 0.172kg/s 619.8kg/h '235910
Q W r ⨯====⨯ ∴619.81084.65kg /h 0.1210.28
F ==- ②求D
4275003600692.93kg/h 22211000
Q D r ⨯=
==⨯
15.现采用某单效真空蒸发器来浓缩某水溶液。

已知进料量为10t/h ，料液从15%浓缩至浓度为60%（均为质量%），沸点进料；加热蒸汽压力为300kN/m 2（绝压）；冷凝水在饱和温度下排出；冷凝器内的真空度为610mmHg ，各项温度差损失分别为△′=℃，△″=℃，△'''=1℃；热损失为加热蒸汽放出热量的5%，传热系数K =2500w/(m 2·K)，试：
①估算单位蒸汽耗量为多少？
②估算蒸发器的传热面积为多少m 2？
③若产品浓度达不到要求，你认为可采取什么措施？ 解：蒸发量：
010.15(1)10000(1)7500kg /h 0.60
x W F x =-=⨯-= ①单位蒸汽耗量
'2351 1.1420.9521680.95
D r W r ===⨯⨯ ②蒸发器的传热面积：
21'75002351100029.6m ()2500(133.360.1 2.5 3.51)3600
m Q Wr A K t K T t ⨯⨯====∆-⨯----⨯ ③适当增加蒸发器持液量；提高回执蒸气温度；降低二次蒸气温度。

16.在单效真空蒸发器中，将流量为10000kg ·h -1的某水溶液从10%连续浓缩至50%。

原料液温度为31℃。

估计溶液沸点升高为7℃，蒸发室的绝对压强为 kgf/cm 2。

加热蒸汽压强为2 kgf/cm 2（绝压），其冷凝水出口温度为79℃。

假设总传热系数为1000 w/(m 2·K)，热损失可忽略。

试求加热蒸消耗量和蒸发器的传热面积。

当地大气压为1 kgf/cm 2。

已知 kgf/cm 2时蒸汽饱和温度为℃，汽化潜热为2356kJ/kg 及焓kg ；2 kgf/cm 2时蒸汽饱和温度为℃，汽化潜热为2206kJ/kg 及焓为2708 kJ/kg 。

答：溶液沸点：t 1=+7=℃ 蒸发量：010.10(1)10000(1)8000kg /h 0.50
x W F x =-=⨯-= 溶液比热：C p =×(1-x 0)=×= kJ/(kg ·K)
Q =FC p (t 1-t 0)+W r ′+Q L
=10000××+8000×2356=kJ/h=5609414W
(1)蒸汽耗量
D =Q /r =/2206=9154 kg/h
(2)蒸发器的传热面积：
25609414106m 1000(119.666.7)
m Q A K t ===∆⨯-
17. 欲用一标准式蒸发器将10%的NaOH 水溶液浓缩至25%。

加料量为12t/h 。

原料液的比热为K ，进料温度为50℃，加热室内溶液的密度为1200kg ·m 3。

料液平均高度为，蒸发室内真空度为，加热蒸汽压力为300kPa 。

热损失可取35kW ，总传热系数为1800 W/(m 2·℃)，当地大气压为 kPa 。

试计算：
①蒸发水分量；
②加热蒸汽用量；
③蒸发器的传热面积
解：①蒸发水分量
010.10(1)12000(1)7200kg /h 0.25
x W F x =-=⨯-= 常压下溶液蒸汽压下降引起的温度差损失：℃
'2
'
''0.0162(273)11.5a T r +∆=∆=℃ 蒸发器内液层中部压强为：
12009.81 1.4'51.359.5kPa 210002
m gl p p ⨯⨯=+=+=⨯ρ 查表得：=∆"3℃
取：'''1∆=℃
则料液沸点：T ’=++3+1=℃
②加热蒸汽用量
010(-)'12000 3.76(96.750)72002304.5353600 2168
8683kg /h L
Fc t t Wr Q D r
++=
⨯⨯-+⨯+⨯== ③蒸发器的传热面积
2186832168100079.2m ()1800(133.396.7)3600m Q Dr A K t K T t ⨯⨯====∆-⨯-⨯。