Экспериментальное изучение процессов и аппаратов химической технологии

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ  
И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ 

Учебное пособие 

Под редакцией проф. А. В. Клинова 

Казань 
Издательство КНИТУ 
2019 

УДК 66.02(075) 
ББК 37.11я7

Э41

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Ю. И. Азимов 
д-р техн. наук, проф. А. Г. Лаптев 

Авторы: Ф. А. Абдулкашапова, К. А. Алексеев, И. П. Анашкин, В. А. Арсланов, 
Д. В. Башкиров, А. Ш. Бикбулатов, В. Г. Бочкарев, В. В. Бронская,  
Р. Г. Галимуллин, Н. И. Еникеева, Э. Н. Закиров, О. В. Захарова, Н. Х. Зиннатуллин, 
Т. В. Игнашина, С. В. Карпеев, С. М. Кириченко, А. В. Клинов, В. П. Костромин, 
В. А. Кузнецов, Е. И. Кульментьева, О. В. Маминов, Л. Р. Минибаева,  
М. А. Мухамедзянов, А. Г. Мухаметзянова, А. В. Малыгин, Н. Н. Маряхин,  
И. М. Нафиков, В. В. Никешин, Д. В. Прощекальников, А. О. Панков, О. А. Панкова, 
А. И. Разинов, Ю. И. Разинов, В. Н. Сосков, Н. Б. Сосновская, Б. Ф. Степочкин, 
П. П. Суханов, А. Р. Фазлыев, М. И. Фарахов, Р. Н. Хамидуллин, Н. Е. Харитонова 

Э41 Экспериментальное изучение процессов и аппаратов химической технологии : 

учебное пособие / Ф. А. Абдулкашапова [и др.]; под ред. А. В. Клинова; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 284 с. 

ISBN 978-5-7882-2743-6 

Рассмотрены теоретические основы гидромеханических, теплообменных и массообменных 
процессов, приведены расчетные формулы, описание лабораторных установок, 
методики проведения экспериментов и обработки полученных результатов. 
Предназначено для студентов всех форм обучения и направлений подготовки, 
изучающих дисциплину «Процессы и аппараты химической технологии». 
Подготовлено на кафедре процессов и аппаратов химической технологии. 

Подписано в печать 30.12.2019 
Формат 60´84 1/16

Бумага офсетная 
Печать ризографическая 
16,51 усл. печ. л. 

17,75 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз.
Заказ 282/19

Издательство Казанского национального исследовательского 

технологического университета 

Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального 

исследовательского технологического университета 

420015, Казань, К. Маркса,  68 

ISBN 978-5-7882-2743-6
© Авторы, указанные на обороте титула, 2019
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 66.02(075) 
ББК 37.11я7

С О Д Е Р Ж А Н И Е  

Условные обозначения .......................................................................................... 5 

Введение ..................................................................................................................... 7 

Тема 1. Определение режима течения воды в цилиндрической 
трубе круглого сечения ....................................................................... 8 

ТЕМА 2. Изучение структуры потоков в аппаратах и ее влияния 
на процесс теплопередачи .............................................................. 14 

Тема 3. Измерение давления и вакуума в покоящейся 
жидкости .................................................................................................. 41 

Тема 4. Экспериментальная демонстрация уравнения 
Бернулли .................................................................................................. 48 

Тема 5. Измерение расхода воды с помощью диафрагмы ................ 57 

Тема 6. Определение потерь напора в прямой трубе круглого 
сечения ..................................................................................................... 63 

Тема 7. Определение потерь напора в запорных устройствах ........ 69 

Тема 8. Определение потерь давления в теплообменных 
аппаратах ................................................................................................ 75 

Тема 9. Определение скорости и расхода воды при истечении 
через отверстия и цилиндрический насадок ........................... 83 

Тема 10. Изучение гидравлики взвешенного слоя .................................. 91 

Тема 11. Изучение гидродинамики зернистого слоя ........................... 100 

Тема 12. Испытание центробежного насоса ............................................ 111 

Тема 13. Работа центробежного насоса на сеть .................................... 118 

Тема 14. Последовательная и параллельная работа 
центробежных насосов на сеть .................................................. 129 

Тема 15. Изучение теплообмена в теплообменнике типа 
«труба в трубе» с проточным водонагревателем ............... 136 

Тема 16. Изучение теплообмена в теплообменнике типа 
«труба в трубе» с накопительным водонагревателем ...... 150 

Тема 17. Изучение гидродинамики насадочной колонны 
с насадкой кольца Рашига ............................................................ 158 

Тема 18. Изучение гидродинамики насадочной колонны 
с насадкой «Инжехим ИХ-10» ..................................................... 169 

Тема 19. Изучение гидродинамики колонн с ситчатыми 
и колпачковыми тарелками .......................................................... 182 

Тема 20. Изучение гидродинамики колонн с клапанными 
и дырчатыми тарелками ................................................................ 192 

Тема 21. Изучение процесса дистилляции ............................................... 202 

Тема 22. Изучение процесса массоотдачи при растворении 
твердого вещества в аппарате с механическим 
перемешиванием .............................................................................. 211 

Тема 23. Изучение процесса абсорбции ................................................... 220 

Тема 24. Изучение процесса ректификации ............................................ 231 

Тема 25. Изучение процесса конвективной сушки ............................... 250 

Тема 26. Изучение процесса периодической адсорбции .................. 263 

Библиографический список ........................................................................... 282 

Приложение .......................................................................................................... 284 

Условные обозначения 

Q – количество теплоты 
– количество теплоты за единицу времени 
M – количество распределяемого вещества (массы) 
 – количество распределяемого вещества (массы) за единицу времени
m – коэффициент распределения 
K – коэффициент теплопередачи 
Ку, Кx – коэффициенты массопередачи; 
F – поверхность теплопередачи, массопередачи 
a – коэффициент теплоотдачи 
b – коэффициент массоотдачи 
T – температура 
µ – динамический коэффициент вязкости 
n – кинематический коэффициент вязкости 
C – концентрация 
cp – изобарная теплоемкость 
l – коэффициент теплопроводности
DT, DC – разности температур и концентраций соответственно
Dp – гидравлическое сопротивление, перепад давления
r – плотность
g – ускорение силы тяжести
w0 – фиктивная скорость среды
w – истинная скорость среды
 – средняя скорость среды
V – объем
 – объемный расход
 – массовый расход жидкости
 – массовый расход газа

s – коэффициент поверхностного натяжения
x – коэффициент сопротивления
lГ – коэффициент гидравлического трения
t – время
d – толщина
D – коэффициент молекулярной диффузии
R – флегмовое число
y, x – концентрация в газовой (паровой) и жидкой фазах

Q!

M!

w

V!

L!

G!

S – поперечное сечение 
p – давление 
I – энтальпия влажного воздуха 
j – относительная влажность воздуха 
x – влагосодержание влажного воздуха 
iп  – энтальпия водяного пара 
w – влажность материала 
N – скорость сушки 
Mi – молекулярная масса компонента i 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Процессы и аппараты химической технологии – общеинженерная 

дисциплина, цель которой заключается в освоении студентами инженерных 
методов расчетов аппаратов химической технологии. 

Важной составляющей этой дисциплины являются лабораторные 

исследования, цели которых заключаются в следующем: закрепление и 
углубление знаний по теории основных процессов химической технологии; 
приобретение и совершенствование навыков экспериментальных 
исследований, освоение методов обработки опытных данных; изучение 
устройств, принципов действия, режимов работы аппаратов на 
примерах модельных установок; ознакомление с оборудованием и измерительными 
приборами, а также с организацией и методикой проведения 
экспериментов. 

До выполнения лабораторной работы студенты должны изучить 

ее содержание, подготовить таблицу для занесения измеряемых величин, 
ознакомиться с используемым оборудованием, ответить на контрольные 
вопросы, подробно изучить методику проведения работы и 
обработки опытных данных, по итогам собеседования получить разрешение 
преподавателя на выполнение работы. 

Без разрешения преподавателя категорически запрещается студентам 
запускать установку и включать приборы. После выполнения 
работы студентам необходимо представить таблицу результатов измерений 
на подпись преподавателю.  

Оформление отчета о выполненной работе проводится в соответствии 
со стандартом КНИТУ. Отчет должен содержать формулировку 
целей работы, схему установки, основные расчетные формулы, таблицу 
опытных данных и полученных результатов расчетов, пример обработки 
данных как минимум одного эксперимента с указанием размерностей 
всех величин и графики, построенные по опытным и расчетным 
данным (если они необходимы), выводы с анализом полученных результатов. 


Лабораторная работа завершается защитой отчета, в ходе которой 
студент должен продемонстрировать знание и понимание основ 
теории, сути процессов и принципов работы изучаемых аппаратов, 
освоение методики проведения экспериментальных исследований и обработки 
их результатов. 

ТЕМА 1 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ  
В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ 

Течение жидкости в аппаратах происходит в различных режимах. 
При выполнении расчетов гидравлических сопротивлений, тепловых и 
массообменных процессов, происходящих в аппаратах и машинах, 
необходимо знать режимы течения жидкостей, поскольку для каждого 
из них характерны различные закономерности и особенности. 
Режим течения жидкости определяется геометрией канала, скоростью 
течения и вязкостью жидкости. Рассмотрим поток, движущийся 
вдоль стенки (например, поток в трубе). Скорость движения жидкости 
 по сечению трубы различна: у стенок она равна нулю, в центре имеет 
максимальное значение (рис. 1). 

Рис. 1. Профили скорости в трубе в различных режимах: 
а – ламинарный режим; б – турбулентный режим (
 – средняя 
скорость по сечению трубы) 

При течении в трубах и каналах постоянного сечения с малой скоростью 
жидкость движется отдельными струйками, не смешиваясь, параллельно 
стенкам трубы или канала. Такой режим называется ламинарным, 
или струйчатым. При этом режиме все частицы жидкости 
имеют лишь продольную составляющую скорости. Визуально любой 
режим движения можно определить, вводя в поток подкрашенную 
струйку жидкости. В ламинарном режиме она будет двигаться, не раз-
мываясь, параллельно стенкам трубы. Возникающие в реальных усло-
виях случайные или искусственные малые возмущения, изменяющие 

w

w

регулярность движения (шероховатость поверхности, ограничивающей 
поток, и т. д.), не развиваются с течением времени, а, наоборот, зату-
хают. 
Однако если и неоднородность скорости, и удаленность от гра-
ницы раздела фаз превышают определенные значения, устойчивость 
движения по отношению к малым возмущениям нарушается. Происхо-
дит развитие нерегулярного хаотического движения отдельных объе-
мов среды (вихрей). Вихри дробятся на более мелкие, постепенно за-
медляясь и затухая. Все это приводит к тому, что помимо основных 
(продольных) скоростей, возникают, хотя и значительно меньшей ве-
личины, составляющие скорости, перпендикулярные оси потока. Появ-
ляются поперечное перемешивание частиц жидкости, пульсации скоро-
сти и выравнивание профиля скорости, т. е. во всех точках потока ско-
рость и давление нерегулярно изменяются с течением времени, пульси-
руют вокруг некоторых своих осредненных значений.  
Такое же нерегулярное изменение скорости имеет место и от 
точки к точке потока, рассматриваемого в заданный момент времени. 
Этот режим движения жидкости называется турбулентным. Визуально 
при увеличении скорости движения потока окрашенная струйка жид-
кости, введенная в поток, начинает размываться, искривляться и пуль-
сировать, что объясняется появлением у частиц жидкости поперечных 
составляющих скорости. При дальнейшем увеличении скорости потока 
струйка распадается, вся жидкость перемешивается и равномерно окра-
шивается в цвет подкрашенной струйки. Траектории частиц представ-
ляют собой сложные хаотичные кривые, пересекающиеся между собой. 
В турбулентном потоке обычно используют не мгновенные, а осред-
ненные за достаточно протяженный отрезок времени величины скоро-
сти и давления.  
Точно так же будет меняться режим течения жидкости, если при 
неизменной ее скорости увеличивать диаметр канала или при постоян-
ных диаметре и скорости понижать вязкость жидкости. 
Между ламинарным и турбулентным режимами движения жид-
кости находится область развития турбулентности. В этой области тур-
булентность имеет переменную интенсивность, увеличивающуюся с 
ростом скорости. 
Визуальное определение режима течения не всегда возможно и 
достаточно субъективно. Поэтому на практике о режиме течения судят 

по количественной характеристике – значению критерия (числа) Рей-
нольдса Re: 
 = 
,  
 
 
(1) 
где 
 – средняя скорость потока, м/с; r – плотность жидкости, кг/м3; µ 
и 
– динамический (Па×с) и кинематический (м2/с) коэф-фици-
енты вязкости жидкости, соответственно; 
 – некоторый характерный 
размер потока (м), обычно 
= dЭ – эквивалентный  диаметр, который 
определяется из выражения 
, 
где S – площадь поперечного сечения потока (живого сечения), м2; П – 
смоченный периметр, м; для круглой трубы dЭ = d, где d – внутренний 
диаметр трубы.  
С физической точки зрения критерий Re есть мера отношения сил 
инерции к силам вязкого трения в потоке. 
Установлено, что в круглых трубах при числе Re < 2320 имеет 
место ламинарный режим течения, а при Re > 10000 – развитый турбу-
лентный. В переходной области, охватывающей числа Re от 2320 до 
10000, происходит развитие турбулентности. Значение Re, равное 2320, 
называется критическим значением числа Рейнольдса. Это критическое 
число не является, конечно, универсальным, для каждой формы канала 
существует свое критическое число. 

Цель работы: 
1) визуальное наблюдение течения жидкости в цилиндрической
трубе круглого сечения; 
2) определение значения числа Рейнольдса, соответствующего
наблюдаемым режимам течения. 
Приборы и оборудование: установка для изучения режима движения, 
секундомер, термометр, подкрашивающая жидкость, мерный 
стеклянный стакан.  

Описание экспериментальной установки 

Установка для наблюдения режима движения жидкости (рис. 2) 
состоит из напорного бака 1 и стеклянной трубы 2 постоянного диаметра. 
В бак 1 вода подводится через вентиль 3 из водопроводной сети 

Re
w ρ/μ = w /ν
!
!

w

/
n
µ r
=

!

!

Э
d = 4S / П

лаборатории. Внутри бака имеется сливная воронка, благодаря которой 
уровень воды в напорном баке поддерживается постоянным. 

 

 

Рис. 2. Схема установки: 1 – бак; 2 – стеклянная трубка; 3 – вентиль; 

4 – патрубок; 5 – мерный бак; 6 – бачок; 7, 8 – краны 

 

Из стеклянной трубы вода протекает через патрубок 4 в мерный бак 5 
или сливной отсек. В стеклянную трубу из бачка 6 по тонкой трубе может 
быть подведена подкрашивающая жидкость. Ее количество регулируется 
краном 7. Объем протекающей воды определяется с помощью 
мерного бака 5, а при малых расходах – с помощью мерного стакана. 
 

Порядок проведения опытов 

 
Открывается вентиль 3, и бак 1 наполняется водой. Потом открывается 
кран 8, и в стеклянной трубе создается поток воды. Открывается 
кран 7, в поток вводится струйка подкрашенной жидкости, и наблюдается 
режим течения. Измеряется объем воды V с помощью мерного 
бака 5 или стеклянного стакана, время натекания этого объема t – секундомером, 
температура воды в баке 1 – термометром. Изменяя расход 
воды при помощи крана 8, проводят несколько опытов: в ламинарном 
режиме, турбулентном режиме и в переходной области. 

Постоянство уровня воды в напорном баке позволяет поддерживать 
установившееся течение в трубе. Опыты заканчиваются закрытием 
кранов 7, 8, вентиля 3, сливом воды из мерного бака 5. 

Обработка результатов опытов 

Вычисляются критерии режима движения жидкости для каждого 
опыта, исходя из выражения 
, 
где d – внутренний диаметр стеклянной трубы, м. 
Средняя скорость 
 определяется из уравнения расхода: 

. 
(2) 

, 
где 
 – расход воды, м3/с; V – объем воды в баке (стакане), м3; t – время 
наполнения этого объема, с. 
Значения динамического коэффициента вязкости и плотности 
воды в зависимости от температуры даны в приложении. 
Результаты опытов и расчетов сводятся в таблицу: 

Т =    °C,  µ =    Па с, r =   кг/м3, n = µ / r =    м2/с. 

Наблюдаемый 

режим

V, см3
t, с
, м3/с 
, м/с
Re 

Ламинарный 
Переходная 
область
Турбулентный 

Контрольные вопросы 

1. Какие существуют режимы течения жидкости? Опишите их.
2. В чем заключается физический смысл критерия Рейнольдса?
3. Как определяется режим течения визуально и расчетным пу-
тем? 
4. В чем физический смысл коэффициентов динамической вязко-
сти? 

Re = wdρ / μ = wd / ν

w

2
V
4V
w =
=
S
πd

!
!

V = V / t
!

V!

×

V!
w