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 сту
дентам запускать установку и включать приборы. После выполнения 
работы студентам необходимо представить таблицу результатов измерений на подпись преподавателю.  

Оформление отчета о выполненной работе проводится в соответ
ствии 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 кото
рой 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 размываясь, параллельно стенкам трубы. Возникающие в реальных условиях случайные или искусственные малые возмущения, изменяющие 

w

w

регулярность движения (шероховатость поверхности, ограничивающей 
поток, и т. д.), не развиваются с течением времени, а, наоборот, затухают. 
Однако если и неоднородность скорости, и удаленность от границы раздела фаз превышают определенные значения, устойчивость 
движения по отношению к малым возмущениям нарушается. Происходит развитие нерегулярного хаотического движения отдельных объемов среды (вихрей). Вихри дробятся на более мелкие, постепенно замедляясь и затухая. Все это приводит к тому, что помимо основных 
(продольных) скоростей, возникают, хотя и значительно меньшей величины, составляющие скорости, перпендикулярные оси потока. Появляются поперечное перемешивание частиц жидкости, пульсации скорости и выравнивание профиля скорости, т. е. во всех точках потока скорость и давление нерегулярно изменяются с течением времени, пульсируют 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 жидкости, введенная в поток, начинает размываться, искривляться и пульсировать, что объясняется появлением у частиц жидкости поперечных 
составляющих скорости. При дальнейшем увеличении скорости потока 
струйка распадается, вся жидкость перемешивается и равномерно окрашивается в цвет подкрашенной струйки. Траектории частиц представляют собой сложные хаотичные кривые, пересекающиеся между собой. 
В турбулентном потоке обычно используют не мгновенные, а осредненные за достаточно протяженный отрезок времени величины скорости и давления.  
Точно так же будет меняться режим течения жидкости, если при 
неизменной ее скорости увеличивать диаметр канала или при постоянных диаметре и скорости понижать вязкость жидкости. 
Между ламинарным и турбулентным режимами движения жидкости находится область развития турбулентности. В этой области турбулентность 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) Рейнольдса Re: 
 = 
,  
 
 
(1) 
где 
 – средняя скорость потока, м/с; r – плотность жидкости, кг/м3; µ 
и 
– динамический (Па×с) и кинематический (м2/с) коэф-фициенты 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 турбулентный. 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