MPCE-1000化工实验指导书

MPCE-1000化工实验指导书
2007.11
一、MPCE-1000实验系统 (3)
二、离心泵与液位实验
1. 离心泵开车实验（实验1） (9)
2. 液位与流量的非线性关系实验（实验2） (11)
3. 离心泵特性测试实验（实验3） (14)
4. 控制阀固有特性及测试实验（实验4） (18)
5. 液位简单控制实验（实验5） (22)
三、三级液位实验
1. 三级液位手动调整实验（实验6） (28)
2. 第二级液位自衡实验（实验7） (32)
3. 三级液位简单控制实验（实验8） (36)
四、气体压缩实验
1. 气体压缩系统开车实验（实验9） (41)
2. 压缩气体体积流量计算实验（实验10） (44)
3. 简单压力控制实验（实验11） (50)
五、列管式热交换器传热实验
1. 列管式热交换器开车实验（实验12） (53)
2. 列管式热交换器总传热系数测定实验（实验13） (55)
3. 列管式热交换器简单温度控制实验（实验14） (59)
六、连续带搅拌釜式反应（CSTR）实验
1. CSTR开车实验（实验15） (62)
2. 连续反应影响因素分析实验（实验16） (67)
3. 连续反应停留时间与转化率测试实验（实验17） (71)
4. 连续反应综合单回路控制实验（实验18） (73)
七、间歇反应实验
1. 间歇反应开车实验（实验19） (81)
多少年来，高职、高专、高等院校化学工程、精细化工、应用化学、高分子化学等专业（包括环境科学、生命科学、自动化过程控制专业和过程装备与控制工程等专业）的教师们一直期待着有一种理想的多功能化工过程与控制实验系统，这种系统：能够兼容连续和间歇两种典型的化学反应；具有工业级规模动态特性；危险性最低（甚至没有危险性）；反应产物无污染、后处理简单；消耗最少的物料（甚至不消耗物料）；消耗最少的能源；除了化学反应实验外，还可以进行流体力学、传热和气体压缩等多种工程试验；还可以灵活地进行多种过程控制实验与训练；同时具有投资省、运行和维护费用省等优点。

然而，在新一代多功能过程及控制实验系统研制成功之前，这一理想几乎不可能全部实现。

因为，传统的实验技术存在着如下无法克服的弱点：
1．任何放热化学反应都有爆炸危险性，导致无法在学校实验室中进行此类常见的、典型的反应动力学实验。

2．任何化学反应都要消耗物料，产生主产物、副产物和需要后处理的汽相和液相物质，不可能没有后处理和环境保护措施。

连续反应处理量大，此类问题尤其突出。

3．实验装置的尺寸过小，导致系统时间常数比真实系统小得多，动态特性与实际工业系统差异很大，学生得不到工业规模大型系统的特性感受。

4．由于实验装置尺寸过小的原因，流动特性受管壁边界层的影响大，流动非线性强，无法稳定，导致测试结果偏差大，没有重复性。

正因为如此，国家标准（包括国际标准）规定，只有管径大于50毫米，流动达到一定的流速才有标准可言。

5．不得已，反应过程工艺介质一般用水，即所谓冷模实验。

此种实验过程物理性质单一，表达不了实际工艺物料复杂多样的物理化学特性，除了流体流动与传热实验外，化学反应、物料混合、组分变化、酸碱度变化、气体压缩、复杂的传质过程等都无法实现。

因此，普遍存在着实验过程单调、知识点少等问题。

6．无法进行高危险性、超极限性过程的安全保护实验。

因为，传统的冷模实验系统本身十分简单，没有高危险性、超极限性（如反应超温、超压、爆炸等）现象，当然，基于安全要求也不允许进行破坏性实验。

7．难于对实验流程、实验项目、实验内容进行重组和变化，限制了实验规模和种类。

实验装置部件有限，重组和变化的内容有限。

此外，重组和变化需要附加管路和阀门，变化实验内容的初始化时间长（例如，等待系统降温时间很长），而且全面的重组和变化必须对设备进行重新机电组装，这对参与实验的师生几乎没有可行性。

8．难于对全部变量和操作进行实时监测，无法实现高完备性和高分辨率故障诊断，因此也无法实现未来智能化实验。

以上弱点或难题，在新一代多功能过程与控制实验系统中几乎全部得到解决。

新一代实验系统，通过将小型半实物过程系统、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、维修简单、节能、安全、环保等理想实验系统的要求，是教学实验技术的一个新的飞跃。

一、MPCE-1000实验系统
MPCE-1000实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。

四部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，完成复杂的化工过程与控制模拟实验。

（一）小型流程设备盘台
见图1-1所示，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。

主设备包括：一台卧式储罐、两台高位计量罐、一台带搅拌器的釜式反应器、一台列管式热交换器、三台离心泵、十个手动/自动双效阀门和若干管路系统。

在垂直的仪表盘面上分布有压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组成（A）和阀位（V）等传感器（变送器）插孔和数字式软仪表。

本盘台是直接操作和运行过程系统的环境。

本环境给操作员以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。

由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系统和真实系统的观测界面完全一致。

图1-1 MPCE-1000化工过程与控制实验系统总貌图
1.盘台检测点、操作点与控制点
见图1-2所示，小型流程盘台上可以变化组合的检测点、操作点与控制点统计如下：（1）电子阀（双效）10个（V1~V10，既能定义为手动阀门，也能定义为控制阀）（2）电子开关4个（S2、S4、S5、S8）
（3）开关阀4个（S1、S3、S6、S7，用于快开特性阀门的操作）
（4）流量检测点10个（F1~F10）
（5）液位检测点4个（L1~L4）
（6）压力检测点7个（P1~P7）
（7）温度检测点6个（T1~T6）
（8）功率检测点1个（N）
（9）组份检测点1个（A）
（10）指示灯2个（D1、D2）
图1-2 MPCE-1000实验系统流程
图1-3 MPCE-1000的多种工艺过程组合
图1-3 表达了MPCE-1000实验系统的多种工艺过程组合实验模式。

本实验系统可以进行离心泵与液位系统开、停车试验，离心泵特性测试，故障实验和控制系统实验；三级液位系统可以进行串联容器物料平衡实验与计算，液位自衡实验及流体力学实验，多级液位控制训练；气体压缩系统可以进行管路阻力和压降试验，气体体积流量换算实验，透平式气体压缩机特性试验，气体压力与流量控制训练；列管式热交换器传热系统可以进行多工况对数温差测试与核算，多工况总传热系数测试与核算，列管式热交换过程温度控制训练。

连续反应过程选择工业常见的带搅拌的釜式反应器（CSTR）系统，同时又是高分子聚合反应，具有广泛的代表性。

本实验是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验，又是非常需要的反应动力学实验内容。

此外，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题，以上各项问题比间歇反应更严重，因为连续反应的处理量大大超过间歇过程。

国内现有的连续反应实验系统实际上都是水位及流量系统，无法进行反应实验。

本实验系统可以进行连续反应开、停车试验；多因素（进料量、冷却量、催化剂量、搅拌等）影响试验与分析；全混流连续反应平均停留时间测试与估算；全混流连续反应平均转化率测试与产量计算；多组分汽液平衡压力测试与估算；本实验系统还可以进
行安全分析和过程控制训练。

间歇反应过程在精细化工、催化剂制备、制药业、溶剂与染料中间体等行业具有广泛的代表性。

本实验系统选择了间歇反应过程中最为复杂的一种，具有主副反应的竞争、放热剧烈、压力随温度急剧变化等特点，是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验，又是非常需要的反应动力学实验内容。

与连续反应相同，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题。

国内现有的间歇反应实验系统实际上都是水位及流量系统，根本没有反应现象。

本间歇反应实验系统可以进行开、停车试验；多因素影响试验与分析；物料量的计量与核算；主、副反应竞争试验与分析；反应主产物浓度变化规律测试与分析；反应温度变化规律测试与分析；反应压力变化规律测试与分析等。

此外还可以进行安全分析、间歇过程控制、故障诊断和高级控制实验。

2.彩色液晶显示器
是一台大尺寸(17吋)高分辨率彩色液晶显示器，安装在盘台左上方（见图1-1所示）。

液晶显示器上自动显示十五个任意选定的指示仪表。

其中最上排设有五个“棒图”显示仪。

当用两端有插头的黑色软线将流程中的变量传感器测量点连接到液晶显示器下方的上数第一排1~5号黑色插孔时，被检测变量即被指定到对应的五个“棒图”显示仪中的某一个，包括变量位号、上下限指示都自动被指定并立即显示。

上数第二排和第三排6~15号黑色插孔对应十个“数字”显示仪，直接进行变量数值显示。

这种显示方式具有很大地灵活性，使用者可以通过黑色软线将盘台上的任一个变量连接到任一个指示仪表上读取数据。

3．标准模拟量输出和输入接口
本测试系统可以通过直流4~20 mA国际标准A/D、D/A信号与集散型控制系统DCS、可编程序控制器PLC、基于PC的控制系统等连接。

启用本功能必须在组态时定义为“外控方式”。

在外控方式下，液晶显示器上十五个任意选定的指示仪表，不但与液晶显示器下面1~15号黑色插孔有一一对应关系，而且还与盘台左侧面小窗口内的接线端子排有一一对应关系。

对应关系见图1-3。

当外接控制系统需要通过4~20 mA国际标准信号获取盘台上的某一个指定变量数据时，应先将该变量用黑色软线连接到对应的1~15号黑色插孔中的某一个，然后从接线端子排对应排号用导线连接到外接控制器。

在外控方式下，液晶显示器下面1~5号红色插孔（见图1-2所示）被启用。

目的是将外接控制器的控制输出信号接收过来，并连接到指定的控制阀。

连接方法是用两端有插头的红色软线将指定的控制阀上的红色插孔与1~5号红色插孔中的某一个相连。

1~5号红色插孔与盘台左侧面小窗口内的接线端子排也有一一对应关系。

对应关系见图1-4。

（二）动态数学模型
本测试系统采用动态定量数学模型模拟真实工艺流程，并提供各变量随时间变化的瞬态值。

具体分为以下五种流程的动态仿真模型：
（1）离心泵及三级液位动态仿真模型
（2）压力系统动态仿真模型
（3）热交换器过程动态仿真模型
（4）连续反应（CSTR）动态仿真模型
（5）间歇反应动态仿真模型
为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行和故障状态的操作及控制，本系统的数学模型考虑了如下几个重要方面。

（1）动态模型应能反映被仿真装置的实际尺寸，包括设备尺寸、管道尺寸、阀门尺寸等，能反映系统物料和能量的变化与传递的定量关系。

（2）动态模型能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平衡特性、这些特性常常是非线性的。

（3）动态模型能反映被仿真系统的动态时间常数、惯性、时间滞后、多容和高阶特性。

（4）动态模型的求解速度达到实时要求、求解精度满足实验要求。

为了进行复杂的控制实验，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块库，例如，PID控制器，传递函数、外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性、随机信号器等，可以方便地通过“软连接”构造多种多样的控制系统。

配合小型专用实时数据库及高速模型计算技术，本实验系统中的动态数学模型软件能够在监控软件的控制下完成过程系统的实时仿真计算。

图1-4标准模拟量输出和输入接口端子排编号
（三）控制系统图形组态
为了灵活地设计组合多种多样的控制方案，本实验系统提供自行开发的、专用的控制系统图形组态软件。

能够在计算机“桌面”上通过图形软连接、在“菜单”提示下填写参数和数据等方法完成控制系统组态。

这种组态方法与集散型控制系统（DCS）组态完全相同，并进一步增加了控制算法的组态设计功能。

也就是说集成了DCS和MATLAB的双重功能，并且更直观、更简明、更符合控制技能测试的要求。

控制系统图形组态软件提供以下具体功能。

（1）提供常见的PID控制算法，允许配置参数。

（2）控制方案的组态设计功能，允许自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、算法的选择以及复杂控制实验等。

（3）控制算法的组态设计功能，提供两种方式的控制算法组态：提供图形化控制算法组态工具，可以对通道模型、非线性环节、逻辑算法及传递函数等进行自定义；提供标准DLL工程，将其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中。

（4）信号发生器组态。

提供常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加。

（5）信号输出组态。

提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以便进行信号后处理。

（6）提供响应曲线图形分析的辅助功能，例如作水平和切线辅助线、曲线的二维任意放大缩小、任意移动位置、任意读取时间和参数坐标值等，大大方便了测试分析工作。

（7）通过组态定义可以实现狭义对象特性测试和广义对象特性测试。

这是其它实验系统所无法实现的功能。

为了方便使用，控制系统图形组态软件具有错误组态方案的自诊断功能。

当组态的方案不合理时，软件能给出提示。

此外，还具有智能化自动排序功能。

本软件采用深层知识“专家系统”推理方法，对组态生成的控制系统计算顺序进行优化排序，能够保证计算结果的准确性。

（四）实验系统监控
盘台上的所有操作点和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，称其为状态“全恢复”功能。

本功能是测试实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。

测试实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理，便于选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。

具体分为以下功能。

（1）实验开始、暂停、恢复及自检验功能；
（2）实验项目切换；
（3）实验项目当前状态（又称为“快照”）存储；
（4）运行时参数的随机或动态改变；
（5）多画面切换。

（五）硬件自动测试
1．传感器（即变送器）信号（4～20mA）输出及控制阀信号（4～20mA）输入。

可以外接DCS 控制系统、PLC控制器、或其他具有4～20mA标准工业信号的控制设备。

2．硬件组态功能。

在液晶显示器上彩色显示15个数据单元（5个棒图显示和10个数码显示），每个显示单元都有一个数据输入黑色插孔。

另外在设备和管道上布置了29个数据输出插孔。

通过导线连接数据输入插孔和数据输出插孔，则完成了对显示单元显示数据内容的硬件组态。

当“外控方式”时，5个自动阀控制输出红色插孔，可以连接任意的阀门控制输入插孔。

连接后该阀门设定为自动阀（此时手动操作不能改变阀位）。

3．测试和操作单元的自摘除功能。

在本系统上可以完成规模不同的试验，每次进行试验的过程中投入使用的设备种类和数量可以通过组态软件定义。

没有通过组态软件定义的数据采集点不能进行数据采集，该设备在试验进行的过程中不投入使用。

同时也不能输出模拟信号。

没有通过组态软件定义的阀门不投入使用。

4．自动可定义的双效阀门。

所有投入使用的阀门如果没有组态为控制阀，则自动设定为手动阀门。

5．硬件单元通过地址开关设定地址。

同类型的硬件单元可以互换。

6．现场“全恢复”功能。

现场的全部硬件设备可以通过软件快速设定为任意的工作状态。

二、离心泵与液位实验
1. 离心泵与液位系统开车实验（实验1）
（一）流程说明
见图1-5，液位系统为卧式储罐，其上游设双效阀（既可以设定为手动阀，也可以设定为控制阀）V1，入口流量F1，储罐液位L1，储罐下部出口快开阀S1（开关），离心泵，离心泵入口压力P2，离心泵出口压力P3，离心泵出口流量F2，离心泵高点排气阀S3（开关），排气完成指示灯D1，离心泵出口双效阀V2。

第一级液位系统和离心泵另设独立的实验项目，系统结构及所有内容与三级液位的第一级完全相同。

离心泵一般由电动机带动。

启动前须在离心泵的壳体内充满被输送的液体。

当电机通过联轴结带动叶轮高速旋转时，液体受到叶片的推力同时旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外沿，以高速流入泵壳，当液体到达蜗形通道后，由于截面积逐渐扩大，大部分动能变成静压能，于是液体以较高的压力送至所需的地方。

当叶轮中心的流体被甩出后，泵壳吸入口形成了一定的真空，在压差的作用下，液体经吸入管吸入泵壳内，填补了被排出液体的位置。

离心泵若在启动前未充满液体，则离心泵壳内极易存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力就很小。

此时在吸入口处形成的真空不足以将液体吸入离心泵内，因而不能输送
液体，这种现象为“气缚”。

所以离心泵在开动前必须首先将被输送的液体充满泵体，并进行高点排气。

储水罐通大气，即为敞口设备。

设备尺寸和阀门选型如下：
①卧式储罐为椭圆端盖，直径1500 mm，最大长度2600 mm（等效长度2400mm），体积4.24 m3
卧式储罐上游自来水管公称直径Dg100 mm （Φ108×4无缝钢管）；
②控制阀V1，选吴忠仪表厂HTS单座控制阀，公称通径Dg100 mm，阀座直径65 mm，高精度
流量特性阀芯，流通能力Kv= 58.3（Cv= 68）；
③卧式储罐出口到离心泵入口水管长度2 m，公称直径Dg80 mm （Φ89×3.5无缝钢管）；
④离心式水泵，型号2B31，流量30m3/h，扬程24 m，功率3.07 kw，电机4.0 kw，允许吸入
高度 5.7 m，叶轮直径162 mm（离心式水泵特性可直接在本实验系统测得）；
离心泵出口至高位非线性计量罐水管长度8 m，公称直径Dg50 mm （Φ57×2.5无缝钢管）；
⑤控制阀V2，选吴忠仪表厂HTS单座控制阀，公称通径Dg50 mm，阀座直径50 mm，高精度
流量特性阀芯，流通能力Kv= 37.7（Cv= 44）。

图1-5 离心泵与液位系统
（二）开车步骤
1）为了在开车过程中便于随时观察有关变量的变化值，用黑色连接线将入口流量F1、储罐液位L1和离心泵出口流量F2连接到盘台左上方液晶显示器任意选定的指示仪表黑色孔上。

2）检查各开关、手动阀门是否处于关闭状态。

3) 进行离心泵充水和高点排气操作。

开阀门V1，使液位L1上升到30%，开离心泵入口快
开阀S1，开离心泵高点排气阀S3，直至排气完成指示灯D1亮，指示排气完成。

关阀门S3。

4) 在泵出口阀V2关闭的前提下，开离心泵电机开关S2，低负荷起动离心泵电动机。

5) 开离心泵出口阀V2。

手动调整V2，使流量F2逐渐上升至5.5 kg/s左右且稳定不变。

6) 为了防止离心泵开动后贮水槽液位上升过高或下降过低，手动操作V1使液位上升到50%
左右,然后调整阀门V1使F1流量达到5.5 kg/s左右且稳定不变。

开车完成。

（三）思考题
1）何为离心泵气缚现象？如何克服？
2）为什么离心泵开车前必须充液、排气？否则会出现什么后果？
3）为什么离心泵开动和停止时都要在出口阀关闭的条件下进行？
4）简述离心泵与液位系统的开车步骤。

5）手动调整使液位L1基本稳定不变的要领是什么？
2. 液位与流量的非线性关系实验（实验2）
（一）知识点
工艺过程特性为线性的主要特征是，相同的输入相对变化，导致输出的相对变化为常数。

例如，直线特性控制阀的固有特性表现为，在阀杆全行程的任何位置，相同的相对开度变化导致的流量变化总是相同，即阀门增益为常数。

而工艺过程特性为非线性的主要特征是，相同的输入相对变化，导致输出的相对变化不为常数。

例如，等百分比特性的控制阀，在阀杆全行程的任何位置，相同的相对开度变化导致的流量变化不同。

工业过程中，大多数的通道特性是非线性的。

为了测试液位的线性或非线性特性，可以先将容器液体排放干净，关闭出口阀门。

然后向容器以不变的流量（保持阀门为固定开度）注入液体，观察并记录液位的上涨数据，直到容器注满为止。

这个过程中每个单位时间流量变化都是相同的，如果液位的变化特性是线性的，所记录的液位增长曲线应当是一条斜的直线。

如果液位的变化特性是非线性的，所记录的液位增长曲线应当不是直线。

以上试验可以测试出由于容器形状所导致的液位变化的非线性特性。

实际上，入口流量或出口流量的变化也能导致液位变化的非线性特性。

广义的看，高阶动态特性为线性，变量各阶变化率之间的关系都为常数，否则都是非线性的。

（二）实验目的
（1）了解工艺过程非线性特性的主要特征。

（3）分析导致非线性的原因。

（三）实验内容
（1）实验工艺过程描述
工艺过程流程图见图1-5。

将系统恢复到冷态。

打开V1，在出口泵停止的前提下，记录液位L1从0%上升到100%全过程。

（2）实验设备及连接
1）在上位计算机启动测试软件，选择并进入离心泵及液位工程。

2）盘台上线路连接。

同实验1。

（3）控制系统组态
1）完成趋势画面组态，选择L1变量需要趋势记录。

2）阀门V1选线性特性。

（4）实验步骤
1）启动离心泵与液位软件工程。

2）检查离心泵应处于关闭状态，将V1的开度调整到80%左右，测试软件选定为冷态运行状态。

3）注意维持泵出口阀V2关闭。

4）保持V1开度，以恒定的流量，直到把卧式圆储罐注满，关闭V1。

（5）实验结果记录
详见图1-6记录了V1维持开度以恒定的流量引起液位L1变化的趋势。

同时记录V1=80%，F1=11.28kg/s。

（6）实验分析与结论
1）液位与恒定流量呈非线性原因
卧式圆储罐的容器形状特点是，L1=50%的高度横截面积最大，而L1从0%上升到50%，容器横截面积从最小变化到最大。

L1从50%上升到100%，容器横截面积又从最大变化到最小。

因此，在L1的中部，单位时间向容器注入相同容积的液体导致液位上升的高度最小，在容器底部或顶部，单位时间向容器注入相同容积的液体导致液位上升的高度逐渐变大。

所记录的L1变化曲线呈倒“S”形，中间变化平缓，两端变化逐渐加大。

此种情况是由于容器形状导致了液位变化的非线性。

2）流量与储罐容量核算
在图1-6中通过辅助线截取当液位L1升至50%的时间t=337s - 150s=187s。

计算以恒定的流量F1=11.28kg/s，历经t=187s时间所注入储罐水的体积V（m3）。

已知水的重度γ＝1000kgf/m3。

t
(3m
F
1
=
=γ
⋅
/)
⨯
V=
.
.2
11
(
)
(
1000
11
/)
28
187
比较卧式储罐1/2的体积V1/2。

已知卧式储罐为椭圆端盖，直径D=1.5m，最大长度。