化工原理习题解答(华南理工大学化工原理教研组

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℃729.023702735.530162.00162.022rTf所以沸点升高值为Δ=fΔa=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kPaghppm65.24281.912306.1101523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3500W•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)]=17.6m25-4、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1000W•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:RrqttcqqmWpmFmD)(010∵t1=t0∴RrqqmwmD=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℃∴234.201051201000102205139.0mtTKQS5-5、将8%的NaOH水溶液浓缩到18%，进料量为4540kg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t=T－t=109.2－88=21.2℃传热速率：Q=qmFCpo(t1－t0)+qmwr＇=4540/3600×3.85×103×(88－21)+2522/3600×2298.6×103=1936×103W239.382.212349101936mtKQSqmD=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：Ttw＝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hkgxxqqmFwm/3.33315.01.0110001101hkgxxqqqmwmFwm/4.3333.015.01)3.3331000(1)(2112自蒸发水分量为:22111)(rttcqqqpmwmFwm其中t1=108˚C，t2=95˚C，x120%，近似地cp1=cpw（1-x1）=4.187(1-0.15)=3.56kJ/(kg˚C)qw1qw2x1=0.15qmF=1000kg/hx0=0.195˚C108˚Cx2=0.395˚C时r΄2=2270.9kJ/kg所以自蒸发量为hkgrttcqqqpmwmFwm/59.139.2270)95108(56.3)3.3331000()(22111自蒸发量占第二效总蒸发量的百分数为%8.40%1004.33359.13%1002mwwmqq5-8、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˚Cr1=2205kJ/kgT2=t1=T1-Δt1=120-19=101˚Cr2=r΄1=2257kJ/kgT3=t2=T2-Δt2=101-21=80˚Cr3=r΄2=2307kJ/kgTK=t3=40˚Cr΄3=2401kJ/kg(2)总蒸发量mFmFmFmwqqxxqq875.04.005.01120(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)(0111111ttcqrqtSKQpmFmw（a）)()(12122222ttcqqrqtSKQpmwmFmw(b))()(232133333ttcqqqrqtSKQpmwmwmFmw(c)代入已知值)90101(2.42257191401000360029501wFmwqq)10180(2.4)(23072114010003600267012mwwFmwqqq)8040(2.4)(240140140100036001360213mwmwwFmwqqqq解得：185.48611500mwmFqq（d）12906.135628mwmwqq(e)1335.35.51713mwmwqq(f))55.35.51713()906.135628(111321mwmwmwmwmwmwmwqqqqqqq(g))85.48611500(875.0875.01mwmFmwqqq(h)因此，可解出qmF=43180kg/hqmw1=11634kg/hqmw2=13454kg/hqmw3=12740kg/h(4)验算ΔthkJttcqrqQpmFmw/28252850)90101(2.443180225711634)(01111hkJrqrqQmwmD/2625794022571163421222hkJrqrqQmwmD/310383802307134543233326601000360029502825285011KQ27321000360026702625794022KQ63401000360013603103838033KQ11732634027322660KQ80401201KTTt˚C1.1880117322660111tKQKQt˚C63.1880117322732222tKQKQt˚C3.4380117326340333tKQKQt˚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˚Cr2=r΄1=2258kJ/kgT3=t2=T2-Δt2=100-20=80˚Cr3=r΄2=2307.8kJ/kgTK=40˚Cr΄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)90100(2.42258201401000360029501wFmwqq)10080(2.4)(8.23072014010003600267012mwwFmwqqq)8040(2.4)(240140140100036001360213mwmwwFmwqqqq解得：17.53708000mwmFqq12994.137432mwmwqq13693.34.58339mwmwqq)693.34.58339()9946.137432(111321mwmwmwmwmwmwmwqqqqqqq)77.53708000(875.0875.01mwmFqq因此，可解出qmw1=12363kg/hqmw2=12780kg/hqmw3=12583kg/hqmF=43240kg/h(d)验算ΔthkJttcqrqQpmFmw/29736680)80100(2.4432404.225812363)(01111hkJrqrqQmwmD/2679206004.22581236321222hkJrqrqQmwmD/296936808.2307127803233328001000360029502973668011KQ29051000360026702792060022KQ60241000360013602949368033KQ11729602429052800KQ1.1980117292800111tKQKQt˚C8.1980117292905222tKQKQt˚C1.4180117296024333tKQKQt˚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/hhkgrQqmD/1348622052