第七章 蒸发

河南工程学院——《化工原理》习题

第七章 蒸发

一 填空题

1．蒸发器的生产强度是指______；提高蒸发器的生产强度的主要措施是___ __、__ _。 2. 蒸发过程中引起温度差损失的原因有（1）__________ ，（2）_________ ，3）_________ 。3. 多效蒸发与单效蒸发相比，其优点是_______ ；明显的缺点是 、 。多效蒸发操作流程有____ __ 、_______ 和______ 。

4. 按照溶液在蒸发器中的流动情况，可将蒸发器分为两大类：________和 。 5. 要想提高生蒸汽的经济性，可以________ ，________, _________ ，_________。 6. 常用蒸发器主要由 和 两部分构成。

7. 升膜式蒸发器的优点是 ，特别适合于处理 溶液，但不适合于处理 。

8. 循环型蒸发器的共同特点是 ，特别不适合于处理 。 9. 一双效并流蒸发器，冷凝器操作温度为６０℃，系统的总温度差损失为９℃，第一、二 效 的有效温差分别为１８℃及２５℃。则第一效的溶液沸点温度为 ；第一效的生蒸汽温度为 。

10. 在三效并流加料蒸发流程中，从第一效至第三效，溶液浓度将愈来愈 ，蒸发室的真空度将愈来愈 ，溶液的沸点将愈来愈 ，各效产生的二次蒸汽压力将愈来愈 。 11. 与常压蒸发比较，真空蒸发的优点是 。 12.多效蒸发中的最佳效数含义是 。

13.多效蒸发的效数受到技术上的限制，主要是因为存在 ；多效蒸发是以牺牲设备的 已换取加热蒸汽的经济性。

14.写出三种单程型蒸发器的名称： 。这种类型的蒸发器特别适用于 。

15.蒸发操作的特点有 、 、 、 。 16. 写出三种循环型蒸发器的名称： 、 、 。

二 简答题

1. 蒸发操作的目的及特点是什么？蒸发设备有那几种类型？

2. 什么是蒸发操作的经济性，为提高生蒸汽的利用率可采用哪些方法？ 3. 真空蒸发的优缺点是什么？ 4. 如何提高蒸发的生产强度？

5. 溶液蒸发时产生的温度差损失是由什么原因引起的？ 6. 蒸发的效数增加，对操作费用和设备费如何影响？ 7. 杜林规则的内容是什么？ 8. 并流加料的优缺点有哪些？ 9. 逆流加料的优缺点有哪些？

蒸发

1

河南工程学院——《化工原理》习题

10. 多效蒸发的效数是否有限制，为什么？

三 计算题

【7-1】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

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

在杜林线图的横座标81.2 ℃作垂直线交组成为25%的杜林线，再由该点查得纵座标的温度为93 ℃，此即50kPa下溶液的沸点tA。

??=（93–81.2）℃=11.8 ℃

（2）用式6-17经验公式估算

2(81.2?273)?????f?a=?0.0162??13.07?℃=11.5 ℃ 2304.5??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。 【7-2】 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，常压下溶质存在引起的沸点升高??a=1 ℃，试求溶液的沸点tB。

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

tB?41.3???41.3?1?1.5?????43.8????

???的计算如下：

pm?p???Lg2

与43.8 ℃相对应的压力p?=9.25 kPa

1160?2.0?9.81?则 pm??9.25?kPa=20.63 kPa

??1000?2??与pm对应的溶液沸点为60.7 ℃，即tB=60.7 ℃

【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），

蒸发

2

河南工程学院——《化工原理》习题

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

W?F(1?x00.10? kg/h=777.8 kg/h ?)??1000?(1?)x10.45???（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

r777.8?2702.5?(1000?777.8)?545?1000?220?3600?12?=?kg/h=943.9 kg/h ??2168.1??D943.9e???1.214

W777.8D?115 ℃加料时

777.8?2702.5?(1000?777.8)?545?1000?440?3600?12?kg/h=842.4kg/h D?????2168.1?e?842.4?1.083 777.8显然，随加料温度提高，D及e值均下降。

【7-4】 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C0=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 ℃。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x0；（3）加热蒸汽消耗量和经济性。

解：（1）有效温差和温差损失

?tm?T?t1??125?98?℃=27 ℃

??t1?T???98?91?℃=7℃

（2）料液组成

91 ℃下蒸汽的冷凝热r??2281.6kJ/kg

FCp0(t?t0)?1000?3.96?(70?20)kJh?1.98?105kJh

蒸发 3

河南工程学院——《化工原理》习题

W?4?198000kg/h=347.1 kg/h

2281.6W?F(1?x0x)?1000?(1?0)kg/h?347.1kg/h x10.28x0?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

D?Wr??FCp0(t1?t)?QLr=

347.1?2263.4?1000?3.96?(98?70)kg/h?409.0kg/h

2191.8E?W347.1??0.8486 D409.0【7-5】 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C0=3.90 kJ/(kg ?℃)，进料温度为30 ℃。操作压力下，溶液的沸点为65 ℃，加热蒸汽压力为105 Pa（表压）。当地大气压为101.3 kPa。蒸发器的总传热系数K0=1 160 W/(m2?℃)，其热损失为8 kW。试求（1）产品的流量；（2）加热蒸汽消耗量；（3）蒸发器的传热面积。

解：（1）产品流量

W?F(1?x00.15kg/h=1050 kg/h

)?1500?(1?)x10.50?x??15?L?F?W?F?1?(1?0)???1500??kg/h=450 kg/h

x1??50??（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

D?Wr?FCp0(t1?t0)?QLr1050?2343.4?1500?3.90?(65?30)?3600?8?=?kg/h ??2204.5??=1222 kg/h

e?1222?1.164 1050(3)蒸发器的传热面积

6

Q??1500?3.90?(65?30)?1050?2343.4?kJ/h=2.665×10kJ/h=740 kW

?tm?T?tB??120.3?65?℃=55.3 ℃ Q740?103m2=11.54 m2 S0??K0?tm1160?55.3【7-6】 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

蒸发 4

河南工程学院——《化工原理》习题

为x1（质量分数，下同），流量为L1=500 kg/h，溶液沸点为105 ℃（即二次蒸汽温度），该温度下水的汽化热r1?=2 245.4 kJ/kg，物料平均比热容cp=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x0。

解：W2?L1(1?x1)?500?(1?0.16)kg/h=250 kg/h

x20.32D2?W1?W2r2??LC(t?t1)?250?2283.1?500?3.52?(?25)?1p2kg/h=234.6 kg/h ???r1?2245.4??F?W1?L1??234.6?500?kg/h=734.6 kg/h

W1?734.6?(1?x0)?234.6 kg/h 0.16解得 x0=0.1089

【7-7】 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。已知第一效的生蒸汽压力p0=270.3 kPa（对应饱和温度130 ℃）、第三效溶液的沸点t3=55℃（对应p3=15.74 k Pa）。各效的总传热系数分别为：K0,1=2600 W/(m2?℃)，K0,2=2000 W/(m2?℃)，K0,3=1400 W/(m2?℃)。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：

（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

11K0,12600?t1??tm??(130?55)??18.04?C

111111????K0,1K0,2K0,3260020001400t1??130?18.04? ℃=111.96 ℃

同理 ?t2?23.45?C t2?88.5?1 C t3?55 ?C（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??p1?185.5kPa t1?117.6℃

同理 p2?100.6kPa t2?99.9℃

可见，不同简化方法估算溶液的沸点值有一定差别。

蒸发 5

河南工程学院——《化工原理》习题

【7-8】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7-4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7-4求50kPa压强下的沸点 50kPa压强下水的沸点为81.2℃，在图7-4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7-9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

ym=150.75x2－2.71x=150.75×0.22－2.71×0.2=5.488

又由式7-10知该线的截距为 ym=tA′－ktw′=5.488

将已知值代入上式，得 tA′－1.028×81.2=5.488

解得 tA′=88.96℃ 即在50kPa压强下溶液沸点为88.96℃。

由于查图7-4时引入误差，以及式7-9及式7-10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。

【7-9】某工厂临时需要将1000kg/h的某水溶液由15%浓缩至40%，沸点进料，现有一传

热面积为10m2的小型蒸发器可供使用。操作条件下的温度差损失可取为18℃，蒸发室的操作压强为20kPa（该压强下水的饱和温度为60.1℃，蒸发潜热为2355KJ/Kg）。已知蒸发器的传热系数为1000W/(m2.℃)，热损失可以忽略。试求加热蒸汽的温度至少应为多大才能满足生产要求。

解：（1）蒸发量 W?F(1?x015)?1000?(1?)?625(kg/h) x40（2）传热量 Q?Wr?625?2355/3600?409kW

（3）溶液沸点t = T + ∑△=60.1+18=78.1℃

（4）求Ts

由Q?KA(Ts?t)

Q409?103?t??78.1?119.5?C Ts?KA1000?10蒸发

6

河南工程学院——《化工原理》习题

【7-10】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Ko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7-1 蒸发器的总传热系数K值

总传热系数

蒸发器的型式 水平沉浸加热式 标准式（自然循环） 标准式（强制循环）

悬筐式

外加热式（自然循环） 外加热式（强制循环）

升膜式 降膜式 蛇管式

W/（m2·℃） 600～2300 600～3000 1200～6000 600～3000 1200～6000 1200～7000 1200～6000 1200～3500 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hw=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

x0??0.2?蒸发量W=F???1??5400?1???3240kg/h ???x1??0.5?由图7-3查出60℃时20%NaOH水溶液的焓、126℃时50%NaOH水溶液的焓分别为h0=210kJ/kg，h1=620kJ/kg。

用式7-6求加热蒸汽消耗量，即

蒸发

7

河南工程学院——《化工原理》习题

? D?WH??F?W?h1?Fh0

r?264.43??5400?324?0?620?5400?210 ?3240213.85 =4102kJ/h e?D?4102?1.266 W3240②传热面积 S?oQKo?tm

Q=Dr=4102×2138.5=8772×103kJ/h=2437kW Ko=1560W/（m2·℃）=1.56kW/（m2·℃） Δtm=143.4－126=17.4℃ 所以 So?22437?89.78m

1.56?17.4取20%的安全系数，则 So=1.2×89.78=107.7m2 （2）忽略浓缩热时

①忽略浓缩热时按式7-6a计算加热蒸汽消耗量。因忽略热损失，故式7-6a改为 D?Wr??Fcp0?t1?t0?3240?2304.5?5400?3.4?126?60???405kg/h 8r?213.58 e?4058?1.252

3240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7-6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：

D?3240?2304.5?5400?3.4?126?30??4316kg/h

2138.5 e?4316?1.332

3240原料液为126℃时：

??349k?230.45?5400?3.4?126?126 D?3240 2g/h213.85 e?3492?1.078

3240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。

蒸发 8

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p61f.html