2025年蒸发考试题及答案

2025年蒸发考试题及答案一、选择题（每题2分，共10分）1.下列关于蒸发操作的描述中，错误的是（）。A.蒸发是通过加热使溶液中部分溶剂汽化并移除，从而提高溶质浓度的过程B.蒸发操作的核心是溶剂的相变，溶质通常不挥发C.与蒸馏相比，蒸发的原料是溶液，蒸馏的原料是均相液体混合物D.单效蒸发的加热蒸汽与二次蒸汽均仅使用一次答案：D（单效蒸发中二次蒸汽直接冷凝，不重复利用；多效蒸发中二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽）2.某常压蒸发器中，溶液的沸点为110℃，当地大气压为101.3kPa，水的饱和蒸汽压为143.3kPa（110℃），则溶液的沸点升高为（）。A.10℃B.20℃C.30℃D.无法计算答案：A（常压下纯水沸点为100℃，溶液沸点110℃，沸点升高=110-100=10℃）3.下列蒸发器中，属于自然循环型蒸发器的是（）。A.升膜式蒸发器B.降膜式蒸发器C.中央循环管式蒸发器D.刮板式蒸发器答案：C（中央循环管式蒸发器依靠溶液密度差实现自然循环；升膜、降膜为强制循环型，刮板式适用于高粘度物料）4.多效蒸发中，随着效数增加，（）。A.生蒸汽消耗量显著降低，设备投资增加B.生蒸汽消耗量显著增加，设备投资降低C.生蒸汽消耗量不变，设备投资增加D.生蒸汽消耗量降低，设备投资不变答案：A（多效蒸发通过二次蒸汽重复利用降低生蒸汽消耗，但效数越多，后几效温差越小，设备成本递增）5.真空蒸发的主要优点不包括（）。A.降低溶液沸点，减少热敏性物料的分解B.增大传热温差，提高传热速率C.降低加热蒸汽的压力，节省蒸汽成本D.减少蒸发器的热损失答案：D（真空蒸发需额外真空设备，热损失可能增加；其优点是降低沸点、增大温差、适应热敏物料）二、填空题（每空1分，共15分）1.蒸发器的基本组成包括加热室、（分离室）、（除沫器）和（冷凝器）等部件。2.蒸发操作按二次蒸汽的利用方式可分为（单效蒸发）和（多效蒸发）；按操作压力可分为（常压蒸发）、（减压蒸发）和（加压蒸发）。3.蒸发过程的热量衡算中，加热蒸汽提供的热量主要用于（溶剂的汽化潜热）、（溶液的升温）和（设备的热损失）。4.溶液的沸点升高主要由（溶质的存在）引起，此外（液柱静压强）和（二次蒸汽流动阻力）也会导致实际沸点高于理论值。5.蒸发设备的生产强度定义为（单位传热面积单位时间内蒸发的溶剂量），其表达式为（W/(K·A)）（W为蒸发量，K为总传热系数，A为传热面积）。三、简答题（每题6分，共30分）1.比较单效蒸发与多效蒸发的优缺点。答：单效蒸发优点：流程简单、操作灵活、设备投资低；缺点：生蒸汽利用率低（1kg生蒸汽约蒸发1kg水），能耗高。多效蒸发优点：通过二次蒸汽重复利用显著降低生蒸汽消耗（n效蒸发约1kg生蒸汽蒸发n-1kg水），能耗低；缺点：流程复杂、设备投资高（需n个蒸发器及辅助设备），效数过多时后几效传热温差减小，经济性下降。2.真空蒸发为何能提高蒸发速率？需注意哪些问题？答：真空蒸发降低了操作压力，使溶液沸点降低，一方面增大了加热蒸汽与溶液的传热温差（Δt=T-t，T为加热蒸汽温度，t为溶液沸点），提高了传热速率（Q=K·A·Δt）；另一方面降低了热敏性物料的受热温度，减少分解损失。需注意：真空系统需额外动力（如真空泵），增加运行成本；低压下二次蒸汽的汽化潜热增大，相同传热量下蒸汽流量增加，管道和冷凝器尺寸需增大；溶液沸点降低可能导致粘度升高，影响循环流动性。3.蒸发器中液柱静压强对溶液沸点有何影响？如何修正？答：蒸发器中溶液因液柱高度产生静压强（p=p0+ρgh，p0为液面上的蒸汽压，ρ为溶液密度，h为液柱高度），导致溶液内部实际压强高于液面压强，沸点升高。修正方法：取液层平均压强（液面压强与底部压强的平均值）对应的沸点作为溶液实际沸点。例如，液柱高度h，液面压强p1，底部压强p2=p1+ρgh，平均压强p=(p1+p2)/2，查p对应的纯水沸点t_w，溶液沸点t=t_w+Δ（Δ为溶质引起的沸点升高）。4.如何提高蒸发设备的生产强度？答：生产强度U=W/(A)=(K·Δt·A)/(A)=K·Δt，因此需提高总传热系数K和传热温差Δt。提高K的措施：①增加溶液循环速度（如采用强制循环蒸发器），减少液膜厚度；②及时清除加热管内结垢（如定期酸洗）；③选择导热性能好的材质（如不锈钢）。提高Δt的措施：①提高加热蒸汽压力（增大T）；②降低操作压力（减小t）；③减少温度差损失（如降低液柱高度、减少二次蒸汽流动阻力）。5.蒸发器结垢的主要危害及预防措施。答：危害：①结垢层导热系数低（如CaCO3结垢导热系数约1~2W/(m·K)，远低于金属壁的40~50W/(m·K)），导致总传热系数K显著下降，蒸发能力降低；②结垢堵塞管道，增加流动阻力，影响溶液循环；③频繁清洗结垢会降低设备利用率，增加维护成本。预防措施：①预处理原料液（如软化水去除Ca2+、Mg2+）；②控制蒸发温度和浓度（避免过饱和析出）；③采用湍流操作（提高流速减少颗粒沉积）；④添加阻垢剂（如聚磷酸盐抑制晶体生长）；⑤定期切换蒸发器进行清洗（如采用酸洗液溶解碳酸盐垢）。四、计算题（共40分）（一）单效蒸发计算（20分）某糖厂采用单效蒸发器浓缩蔗糖溶液。已知：进料量F=5000kg/h，进料浓度x0=10%（质量分数，下同），出料浓度x1=50%；进料温度t0=30℃，加热蒸汽为120℃的饱和水蒸气（汽化潜热r=2205kJ/kg，冷凝水出口温度120℃）；溶液的比热容c0=4.18kJ/(kg·℃)（近似为稀溶液），沸点t1=105℃（常压），热损失Q损=5%Q加（Q加为加热蒸汽提供的热量）。求：（1）蒸发量W；（2）加热蒸汽消耗量D；（3）若蒸发器传热系数K=1500W/(m²·℃)，求传热面积A。解：（1）物料衡算：F·x0=(F-W)·x1代入数据：5000×0.1=(5000-W)×0.5解得：W=5000-5000×0.1/0.5=5000-1000=4000kg/h（2）热量衡算：Q加=D·r=W·r_w+(F-W)·c0·(t1-t0)+Q损其中，r_w为水在105℃的汽化潜热（查得105℃时水的饱和蒸汽压为120.8kPa，汽化潜热r_w≈2245kJ/kg）；Q损=0.05Q加，因此Q加=1.05×[W·r_w+(F-W)·c0·(t1-t0)]代入数据：D×2205=1.05×[4000×2245+(5000-4000)×4.18×(105-30)]计算右侧：4000×2245=8,980,000kJ/h1000×4.18×75=313,500kJ/h总和=8,980,000+313,500=9,293,500kJ/h1.05×9,293,500=9,758,175kJ/hD=9,758,175/2205≈4425kg/h（3）传热温差Δt=T-t1=120-105=15℃传热速率Q=K·A·Δt×3600（单位转换：W=J/s，kJ/h=1000J/3600s）Q=Q加=D·r=4425×2205=9,758,175kJ/h=9,758,175×1000/3600≈2,710,604J/s=2,710.6kWK=1500W/(m²·℃)=1.5kW/(m²·℃)A=Q/(K·Δt)=2710.6/(1.5×15)≈120.5m²（二）双效蒸发计算（20分）某双效并流蒸发系统浓缩NaOH溶液。第一效进料F=10000kg/h，x0=10%，t0=20℃；第一效加热蒸汽为130℃饱和水蒸气（r1=2178kJ/kg），二次蒸汽温度t1’=105℃（r1’=2245kJ/kg），溶液沸点t1=110℃；第二效二次蒸汽温度t2’=75℃（r2’=2314kJ/kg），溶液沸点t2=80℃。两效的热损失均为各自加热量的3%，溶液比热容c=3.8kJ/(kg·℃)（假设两效相同），忽略浓缩热。求：（1）第二效完成液浓度x2；（2）第一效蒸发量W1，第二效蒸发量W2；（3）若第二效传热系数K2=1200W/(m²·℃)，求第二效传热面积A2。解：（1）总物料衡算：F·x0=(F-W1-W2)·x2需先求W1、W2。（2）第一效热量衡算：Q1=D1·r1=W1·r1’+(F·c·(t1-t0))+0.03Q1整理得：0.97Q1=W1·r1’+F·c·(t1-t0)D1·r1=Q1，假设D1未知，需结合第二效。第二效加热蒸汽为第一效的二次蒸汽，即D2=W1（并流操作，二次蒸汽全部进入下一效）。第二效热量衡算：Q2=W1·r1’=W2·r2’+(F-W1)·c·(t2-t1)+0.03Q2整理得：0.97Q2=W2·r2’+(F-W1)·c·(t2-t1)代入数据：第一效：0.97D1×2178=W1×2245+10000×3.8×(110-20)=2245W1+3,420,000第二效：0.97W1×2245=W2×2314+(10000-W1)×3.8×(80-110)=2314W2-3.8×30×(10000-W1)=2314W2-1,140,000+114W1整理第二效方程：0.97×2245W1-114W1=2314W2-1,140,000(2177.65-114)W1=2314W2-1,140,0002063.65W1=2314W2-1,140,000→W2=(2063.65W1+1,140,000)/2314...(a)假设两效蒸发量关系近似W1≈W2（双效并流时，因后效沸点低，W2略大于W1），代入试算：假设W1=3000kg/h，代入(a)：W2=(2063.65×3000+1,140,000)/2314≈(6,190,950+1,140,000)/2314≈7,330,950/2314≈3168kg/h代入第一效方程：0.97D1×2178=2245×3000+3,420,000=6,735,000+3,420,000=10,155,000D1=10,155,000/(0.97×2178)≈10,155,000/2112.66≈4806kg/h验证第二效热量是否平衡：Q2=W1×r1’=3000×2245=6,735,000kJ/h0.97Q2=6,532,950kJ/h右侧=W2×2314+(10000-3000)×3.8×(80-110)=3168×2314+7000×3.8×(-30)=7,330,（计算3168×2314≈7,330,000）+(-798,000)=6,532,000kJ/h，与左侧6,532,950近似相等，误差在允许范围内，故W1≈3000kg/h，W2≈3168kg/h。总蒸发量W=W1+W2=6168kg/h完成液量F-W=10000-6168=3832kg/hx2=F·x0/(F-W)=10000×0.1/3832≈26.1%（3）第二效传热温差Δt2=t1’-t2=105-80=25℃（第一效二次蒸汽温度105℃为第二效加热蒸汽温度，溶液沸点80℃）Q2=W1·r1’=3000×2245=6,735,000kJ/h=6,735,000×1000/3600≈1,870,833J/s=1,870.8kWK2=1200W/(m²·℃)=1.2kW/(m²·℃)A2=Q2/(K2·Δt2)=1870.8/(1.2×25)=1870.8/30≈62.4m²五、综合分析题（15分）某化工厂采用三效逆流蒸发系统浓缩NaCl溶液，近期发现蒸发器产量（单位时间蒸发水量）显著下降。请分析可能的原因，并提出相应的解决措施。答：可能原因及解决措施如下：1.加热蒸汽参数异常原因：加热蒸汽压力降低（如锅炉供汽不足），导致第一效加热蒸汽温度T1下降，传热温差Δt1=T1-t1（t1为第一效溶液沸点）减小，传热速率Q1=K1·A1·Δt1降低，蒸发量W1减少；后续各效因二次蒸汽量减少，加热量不足，产量整体下降。措施：检查蒸汽管网压力，调整锅炉运行参数，确保加热蒸汽压力稳定；若蒸汽带水（含冷凝水），需增加蒸汽分离器，提高蒸汽干度。2.溶液沸点升高增大原因：进料浓度过高（超过设计值），溶质含量增加，溶液的沸点升高Δ增大（Δ=t溶液-t纯水），导致各效溶液沸点t_i上升，传热温差Δt_i=T_i-t_i减小；或原料液中杂质（如Ca²+、Mg²+）增多，结垢加剧，进一步提高实际沸点。措施：控制进料浓度在设计范围内（如通过调节前工序浓缩程度）；加强原料预处理（如软化除杂），减少溶质和杂质含量；定期检测溶液沸点，调整操作压力以补偿温差损失。3.蒸发器结垢严重原因：NaCl溶液在蒸发过程中易析出晶体，若循环流速过低（自然循环蒸发器），晶体沉积在加热管内壁形成结垢层；结垢层导热系数低（约1~3W/(m·K)），总传热系数K显著下降（K=1/(1/α1+δ/λ+1/α2)，δ为垢层厚度，λ为垢层导热系数），导致Q=K·A·Δt降低。措施：提高溶液循环速度（如改用强制循环蒸发器，增加循环泵流量）；定期化学清洗（如用稀盐酸溶解碳酸盐垢，用EDTA络合金属离子）；采用在线清洗技术（如超声波除垢）；控制蒸发温度和浓度，避免过饱和结晶。4.真空系统故障原因：末效蒸发器真空度下降（如真空泵故障、密封泄漏），导致末效操作压力p3升高，溶液沸点t3上升，后续各效二次蒸汽温度T_i=t_i-1（