第八章其他化工单元操作过程【例8-1】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8-2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8-2求50kPa压强下的沸点50kPa压强下水的沸点为81.2℃，在图8-2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8-5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y m=150.75x2－2.71x=150.75×0.22－2.71×0.2=5.488又由式8-4知该线的截距为y m=t A′－kt w′=5.488将已知值代入上式，得t A′－1.028×81.2=5.488解得t A′=88.96℃即在50kPa压强下溶液沸点为88.96℃。

由于查图8-2时引入误差，以及式8-5及式8-6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。

【例8-2】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K o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8-1 蒸发器的总传热系数K值蒸发器的型式总传热系数W/（m2·℃）水平沉浸加热式600～2300 标准式（自然循环）600～3000标准式（强制循环）1200～6000 悬筐式600～3000 外加热式（自然循环） 1200～6000 外加热式（强制循环）1200～7000 升膜式 1200～6000 降膜式 1200～3500 蛇管式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h w =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蒸发量W =F kg/h 3240502015400110=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-..x x由图8-4查出60℃时20%NaOH 水溶液的焓、126℃时50%NaOH 水溶液的焓分别为h 0=210kJ/kg ，h 1=620kJ/kg 。

用式8-10求加热蒸汽消耗量，即 ()rFh h W F H W D 01--+'=()5.21382105400620324054003.26443240⨯-⨯-+⨯==4102kJ/h 266.132404102===W D e②传热面积 mo ot K Q S ∆=Q =Dr =4102×2138.5=8772×103kJ/h=2437kW K o =1560W/（m 2·℃）=1.56kW/（m 2·℃） Δt m =143.4－126=17.4℃ 所以 78.894.1756.12437=⨯=o S m 2取20%的安全系数，则 S o =1.2×89.78=107.7m 2 （2）忽略浓缩热时①忽略浓缩热时按式8-21计算加热蒸汽消耗量。

因忽略热损失，故式8-21改为()()40585.2138601264.354005.23043240010=-⨯+⨯='-+'=r t t Fc r W D p kg/h252.132404058==e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8-21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：()kg/h 43165213830126435400523043240=-⨯+⨯=...D332.132404316==e原料液为126℃时：()kg/h 349252138126126435400523043240=-⨯+⨯=...D078.132403492==e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。

【例8-3】选择性系数的比较已知某三组分混合液的两条平衡联结线如图11-14中ab 、cd 所示，试比较两者的选择性系数。

解：（1）对平衡联结线ab ，可作直线Sa 、Sb 并延长到AB 边，读得24.0,77.011== A A x y 。

于是，该线的选择性系数为()()6.1024.0124.077.0177.01111111=--=--==AAA AB A B A x x y y x x y y β （2）对平衡联结线cd ，按同法可得选择性系数为1.1211.0111.06.016.01122222=--=--=AAA Ax x y y β可见β2＞β1。

【例8-4】在25℃下以水（S ）为萃取剂从醋酸（A ）与氯仿（B ）的混合液中提取醋酸。

已知原料液流量为1000kg/h ，其中醋酸的质量百分率为35%，其余为氯仿。

用水量为800kg/h 。

操作温度下，E 相和R 相以质量百分率表示的平均数据列于本例附表中。

试求：（1）经单级萃取后E 相和R 相的组成及流量；（2）若将E 相和R 相中的溶剂完全脱除，再求萃取液及萃余液的组成和流量；（3）操作条件下的选择性系数β；（4）若组分B 、S 可视作完全不互溶，且操作条件下以质量比表示相组成的分配系数K =3.4，要求原料液中溶质A 的80%进入萃取相，则每公斤稀释剂B 需要消耗多少公斤萃取剂S ？解：根据题给数据，在等腰直角三角形坐标图中作出溶解度曲线和辅助曲线，如本题附图所示。

例8-4 附表氯仿层（R 相）水 层（E 相）醋 酸 水 醋 酸 水 0．00 0．99 0．00 99．16 6．77 1．38 25．10 73．69 17．72 2．28 44．12 48．58 25．72 4．15 50．18 34．71 27．65 5．20 50．56 31．11 32．08 7．93 49．41 25．39 34．16 10．03 47．87 23．28 42．516．542．5016．50（1）两相的组成和流量 根据醋酸在原料液中的质量百分率为35%，在AB 边上确定F 点，联结点F 、S ，按F 、S 的流量用杠杆定律在FS 线上确定和点M 。

因为E 相和R 相的组成均未给出，需借辅助曲线用试差作图法确定通过M 点的联结线ER 。

由图读得两相的组成为E 相 y A =27%，y B =1.5%，y S =71.5% R 相 x A =7.2%，x B =91.4%，x S =1.4% 依总物料衡算得 M=F+S=1000+800=1800kg/h由图量得RM =45.5mm 及RE =73.5mm用式8-32求E 相的量，即kg/h 11145735451800=⨯=⨯=..RE RM M ER =M －E =1800－1114=686kg/h（2）萃取液、萃余液的组成和流量 连接点S 、E ，并延长SE 与AB 边交于E ′，由图读得y E ′=92%。

连接点S 、R ，并延长SR 与AB 边交于R ′，由图读得x R ′=7.3%。

萃取液和萃余液的流量由式8-36及式8-37求得，即kg/h 327379237351000=--⨯='-''-⨯='..x y x x F E R E R Fkg/h 6733271000=-='-='E F R萃取液的流量E ′也可用式8-23计算，两法结果一致。

（3）选择性系数β用式8-27求得，即 5.2284.915.1/2.727/===B B A A x y x y β由于该物系的氯仿（B ）、水（S ）互溶度很小，所以β值较高，所得到萃取液浓度很高。

（4）每公斤B 需要的S 量 由于组分B 、S 可视作完全不互溶，则用式8-34计算较为方便。

有关参数计算如下：5385.035.0135.01=-=-=F F F x x X()()1077.05385.08.0111=⨯-=-=F A X X ϕ Y S =0Y 1与X 1呈平衡关系，即 Y 1=3.4X 1=3.4×0.1077=0.3662将有关参数代入式8-34a ，并整理得 S/B =（X F －X 1）/Y 1=（0.5385－0.1077）/0.3662=1.176 即每公斤稀释剂B 需要消耗1.176kg 萃取剂S 。

需要指出，在生产中因溶剂循环使用，其中会含有少量的组分A 与B 。

同样，萃取液和萃余液中也会含少量S 。

这种情况下，图解计算的原则和方法仍然适用，仅在三角形相图中点S 、E ′及R ′的位置均在三角形坐标图的均相区内。

【例8-5】25℃时丙酮（A ）—水（B ）—三氯乙烷（S ）系统以质量百分率表示的溶解度和联结线数据如本题附表所示。

例8-5 附表1溶解度数据例8-5 附表2联结线数据水相中丙酮x A 5．96 10．0 14．0 19．1 21．0 27．0 35．0 三氯乙烷相中丙酮y A 8．7515．021．027．73240．548．0用三氯乙烷为萃取剂在三级错流萃取装置中萃取丙酮水溶液中的丙酮。

原料液的处理量为500kg/h ，其中丙酮的质量百分率为40%，第一级溶剂用量与原料液流量之比为0.5，各级溶剂用量相等。

试求丙酮的回收率。

解：丙酮的回收率可由下式计算，即 FF A Fx x R Fx 33-=ϕ关键是求算R 3及x 3。

由题给数据在等腰直角三角形相图中作出溶解度曲线和辅助曲线，如本题附图所示。

第一级加入的溶剂量，即每级加入的溶剂量为S =0.5F=0.5×500=250kg/h 根据第一级的总物料衡算得 M 1=F +S=500+250=750kg/h由F 和S 的量用杠杆定律确定第一级混合液组成点M 1，用试差法作过M 1点的联结线E 1R 1。