mpce-1000化工实验指导书.doc

MPCE-1000化工实验指导书目录一、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） ………………………………………………92. 液位与流量的非线性关系实验（实验2） ………………………………113. 液位简单控制实验（实验3） …………………………………………144. 离心泵特性测试实验（实验4） …………………………………………185. 控制阀固有特性及测试实验（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）……………………………………… 282. 第二级液位自衡实验（实验7）………………………………………… 323. 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）……………………………………… 412. 压缩气体体积流量计算实验（实验10） ……………………………… 443. 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） ………………………………… 532. 列管式热交换器总传热系数测定实验（实验13） …………………… 553. 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） …………………………………………… 622. 连续反应影响因素分析实验（实验16） ……………………………… 673. 连续反应停留时间与转化率测试实验（实验17） …………………… 714. 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前言多少年来，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。