蒸发习题及答案.docx
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蒸发习题及答案
蒸发习题及答案
1.蒸发操作中,从溶液中汽化出来的蒸汽,常称为()。
B
A.生蒸汽;B.二次蒸汽;C.额外蒸汽
2.蒸发室内溶液的沸点()二次蒸汽的温度。
B
A.等于;B.高于;C.低于
3.在蒸发操作中,若使溶液在()下沸腾蒸发,可降低溶液沸点而增大蒸发器的有效温度差。
A
A.减压;B.常压;C.加压
4.在单效蒸发中,从溶液中蒸发1kg水,通常都需要()1kg的加热蒸汽。
C
A.等于;B.小于;C.不少于
5.蒸发器的有效温度差是指()。
A
A.加热蒸汽温度与溶液的沸点之差;B.加热蒸汽与二次蒸汽温度之差;
C.温度差损失
6.提高蒸发器生产强度的主要途径是增大()。
C
A.传热温度差;B.加热蒸汽压力;
C.传热系数;D.传热面积;
7.中央循环管式蒸发器属于()蒸发器。
A
A.自然循环;B.强制循环;C.膜式
8.蒸发热敏性而不易于结晶的溶液时,宜采用()蒸发器。
B
A.列文式;B.膜式;C.外加热式;D.标准式
9.多效蒸发可以提高加热蒸汽的经济程度,所以多效蒸发的操作费用是随效数的增加而()。
A
A.减少;B.增加;C.不变
10.蒸发装置中,效数越多,温度差损失()。
B
A.越少;B.越大;C.不变
11.采用多效蒸发的目的是为了提高()。
B
A.完成液的浓度;B.加热蒸汽经济程度;C.生产能力
12.多效蒸发中,蒸汽消耗量的减少是用增加()换取的。
A
A.传热面积;B.加热蒸汽压力;C.传热系数
13.多效蒸发中,由于温度差损失的影响,效数越多,温度差损失越大,分配到每效的有效温度差就()。
A
A.越小;B.越大;C.不变
14.()加料的多效蒸发流程的缺点是料液粘度沿流动方向逐效增大,致使后效的传热系数降低。
A
A.并流;B.逆流;C.平流
15.对热敏性及易生泡沫的稀溶液的蒸发,宜采用()蒸发器。
C
A.中央循环管式;B.列文式;C.升膜式
二.填空题
1.蒸发是___浓缩溶液___的单元操作。
2.为了保证蒸发操作能顺利进行,必须不断的向溶液供给___热能___,并随排除气化出来的___溶剂蒸汽___。
3.蒸发操作中,造成温度差损失的原因有:
(1)溶质的存在使蒸气压下降,沸点升高,
(2)液柱静压强引起,
(3)管道流体阻力导致。
4.蒸发器的主体由___加热室__和__蒸发室__组成。
5.在蒸发操作中,降低单位蒸气消耗量的主要方法有:
采用多效蒸发,___真空蒸发_,____加强设备保温。
6.蒸发操作按蒸发器内压力可分为:
_加压_,_常压_,_真空_蒸发。
7.蒸发操作中,加热蒸气放出的热量主要用于:
(1)二次蒸汽气化所需的潜垫
(2)预热原料液(3)补偿蒸发器的热损失。
8.并流加料的多效蒸发装置中,各效的蒸发量略有增加,其原因是料液从前一效进入后一效时有_自蒸发_。
9.蒸发器的生产强度是指_单位传热面积上单位时间内所蒸发的水分量。
10.蒸发器的生产能力是指_单位时间内蒸发的水分量_。
11.单程型蒸发器的特点是溶液通过加热室一次,_不作__循环流动,且溶液沿加热管呈_膜状流动,故又称为_液膜式_蒸发器。
12.降膜式蒸发器为了使液体在进入加热管后能有效的成膜,在每根管的顶部装有_液体分布器_。
13.自然循环蒸发器内溶液的循环是由于溶液的_受热程度不同,而引起的_密度差异所致。
14.标准式蒸发器内溶液的循环路线是从中央循环管_下降_,而从其它加热管_上升,其循环的原因主要是由于溶液的_受热程度_不同,而引起的_密度差异_所致。
三.计算题
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=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℃
2、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)]=17.6m2
3、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:
∵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℃
∴
4、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=1936×103W
qmD=Q/r'=1936×103/(2234.4×103)=0.87kg/s=3130kg/h
5、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
10
40
1.02
1.11
4.5
3.4
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℃
6、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
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
7、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?
C
Δt2=21?
C
Δt3=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/kg
T2=t1=T1-Δt1=120-19=101?
Cr2=r?
1=2257kJ/kg
T3=t2=T2-Δt2=101-21=80?
Cr3=r?
2=2307kJ/kg
TK=t3=40?
Cr?
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/h
qmw1=11634kg/h
qmw2=13454kg/h
qmw3=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?
C
Δt2=20?
C
Δt3=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/kg
T3=t2=T2-Δt2=100-20=80?
Cr3=r?
2=2307.8kJ/kg
TK=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
解得:
因此,可解出
qmw1=12363kg/h
qmw2=12780kg/h
qmw3=12583kg/h
qmF=43240kg/h
(d)验算Δt
?
C
?
C
?
C
与前面所设的
Δt1=20?
C
Δt2=20?
C
Δt3=40?
C
很相近,故认为该温差分配合适,所以
qmF=43240kg/h
8、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2000kg?
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800kg?
h-1。
各温度下水蒸气的汽化潜热均可取为2280kJ?
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/h
X02=X1=qmFX0/(qmF-qmw1)=2000×0.05/(2000-800)=0.033
t1=95?
Ct2=70?
Cr2=r2’=2280kJ/kg
Cpo=Cpw(1-X02)=4.187×(1-0.0833)=3.84kJ/(kg?
C)
蒸发水量
qmw=qmw1+qmw2
=800+840=1640kg/h.
9、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=1500W?
m-2?
oC-1
第二效:
传热系数:
K2=1000W?
m-2?
oC-1
第三效:
完成液浓度:
30%
传热系数:
K3=560W?
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
1
2
3
二次蒸汽压力,atm
3.4
1.8
0.2
二次蒸汽温度,?
C
137.2
116.3
59.7
二次蒸汽焓,kJ/kg
2734
2703
2605
二次蒸汽潜热,kJ/kg
2157
2216
2356
2、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?
C,因此可求取各效由于溶液蒸汽压降低所引起的温差
Δ1?
=143-137.2=5.8?
C
Δ2?
=127-116.3=10.7?
C
Δ3?
=78-59.7=18.3?
C
∑Δ?
=5.8+10.7+18.3=34.8?
C
取各效由于液柱高度引起的温差分别为
Δ1″=1?
C
Δ2″=2?
C
Δ3″=5?
C
∑Δ″=8?
C
管路损失引起的温度差每一效为1?
C,因此
∑Δ″?
=3?
C
因此三效的总温差损失为
∑Δ=∑Δ?
+∑Δ″+∑Δ″?
=34.8+8+3=45.8?
C
4atm的生蒸汽的饱和温度为T1=151.1?
C,其潜热为r1=2115kJ/kg。
因此,若无温差损失,总的传热温差为
ΔtT=T1-Tk=151.1-59.7=91.4?
C
除去损失的温差后,三效蒸发的有效总温差为
∑Δt=ΔtT-∑Δ=91.4-45.8=45.6?
C
各效的沸点计算于下
t1=143+1=144?
C
t2=127+2=129?
C
t3=78+5+1=84?
C
(四)生蒸汽消耗量和各效水分蒸发量
以所求得各效溶液的沸点作为初值,求各效的自蒸发系数
分母可以用二次蒸汽汽化潜热简化计算。
同理可求得
β2=0.00695,β3=0.02
由于系数ηi=0.98-0.07Δxi,所以
η1=0.98-0.07×(13.5-10.6)=0.962
同理可求得
η2=0.946
η3=0.896
由式(5-19a)
忽略蒸汽汽化潜热的差别,代入已知量
所以
(a)
所以
(b)
(c)
由总蒸发量与各效蒸发量之间的关系
(d)
联合求解式(a)、(b)、(c)和(d)得到
生蒸汽消耗量
qmD1=7840kg/h
各效蒸发量分别为
qmw1=4920kg/h
qmw2=5125kg/h
qmw3=5485kg/h
(五)各效传热量及温差计算
不取额外蒸汽
qmD2=qmw1=4920kg/h,qmD3=qmw2=5125kg/h
因此各效的传热量为
Q1=qmD1r1=7840×2115=1.65×107W
同理可求得
Q2=2.94×106W
Q3=3.14×106W
各效传热系数分别为1500、1000、560W/m2?
C,因此
已知总的有效温差∑Δt=45.6?
C,当各效传热面积相同时,各效分配到的温差为
同理可算得
Δt2=11.5?
C
Δt3=22?
C
(六)复核及结果校正
因为,以上结果是建立在两个假定基础上的,因此计算出的结果需要校核
1、末效沸点为t3=84?
C,现求得Δt3=22?
C,因此末效加热蒸汽温度为
T3=Δt3+t3=84+22=106?
C
此值也是第二效的二次蒸汽温度
2、有所求得的各效蒸发水量可求得各效溶液的浓度
同理可得到
x2=18.2%
x3=30%
3、有第二效的二次蒸汽温度和溶液的浓度,可以计算第二效溶液的沸点
查图5-7得
tA=116?
C,故
t2=116+2+1=119?
C
4、由所求到的Δt2=11.5?
C和计算得到的第二效溶液的沸点可求到第二效的加热蒸汽温度
T2=Δt2+t2=11.5+119=130.5?
C
此值也是第一效的二次蒸汽温度
5、有第一效的二次蒸汽温度和溶液的浓度,可以计算第一效溶液的沸点
查图5-7得
tA=136.5?
C,故
t1=136.5+1+1=138.5?
C
可见,复核得到的各效沸点和沸点初值(后者为t1=144?
C,t2=129?
C)相差较大,故需要重新计算。
此时用新结果作为初值,重新计算自蒸发系数→计算qmD1→各效水分蒸发量→有效温差→重新复核溶液的沸点→……继续到满足精度为止。
重新计算方法相同,本题的结果为
生蒸汽消耗量
qmD1=7510kg/h
各效蒸发量分别为
qmw1=4895kg/h
qmw2=5176kg/h
qmw3=5430kg/h
因此各效的传热量为
Q1=4.4×106W
Q2=2.95×106W
Q3=3.2×106W
Δt1=11.5?
C
Δt2=11.6?
C
Δt3=22.5?
C
t1=139?
C
t2=119.5?
C
t3=84?
C
(七)传热面积
同理可计算其余各效的面积
S2=254m2
S3=254m2
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