中試實驗裝置在化工實驗教學中的綜合應(yīng)用

崔 琳, 丁 立

(清華大學 化學工程系 化工實驗教學中心, 北京 100084)

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中試實驗裝置在化工實驗教學中的綜合應(yīng)用

崔 琳, 丁 立

(清華大學 化學工程系 化工實驗教學中心, 北京 100084)

為給化工儀表及自動化課程配套實驗,建立了一套以萃取和精餾2個常規(guī)化工單元操作為基礎(chǔ)的中試規(guī)模的實驗裝置,并配置了分散控制系統(tǒng)(DCS)。DCS經(jīng)過軟件組態(tài)可以進行多種基本控制實驗和綜合控制實驗,滿足課程實驗要求。同時該裝置還可以用于進行化工原理單元操作實驗、綜合實驗等,也可以用于本科生的認識實習等實踐活動及相關(guān)科研活動。該裝置實現(xiàn)了“一專多能”,最大化地有效利用了教學資源,增加了多方面的實驗內(nèi)容,有效改善了教學效果。

實驗裝置； 化工實驗； DCS； 精餾及萃取

化工專業(yè)的大學本科實踐環(huán)節(jié)一般包括實習、實驗、課程設(shè)計等幾個環(huán)節(jié)。為提升教學質(zhì)量,增加各個實踐環(huán)節(jié)教學內(nèi)容,改善教學效果,經(jīng)綜合考慮,本實驗中心在近期設(shè)計建造了一套帶有分散式控制系統(tǒng)(DCS)的中試規(guī)模實驗裝置。由于場地、時間等多方面條件限制,為充分利用資源,該實驗裝置設(shè)計階段參考了國內(nèi)外同類裝置的設(shè)計經(jīng)驗[1-3],考慮了“一專多能”的要求[4],除了滿足主要建造目的以外,還充分考慮了其他實踐環(huán)節(jié)的教學要求,使得該實驗裝置可以在本科生的不同實踐環(huán)節(jié)中得到綜合運用,有效利用了實驗教學資源。

該實驗裝置的主要建造目的是為化工過程自動控制課程配套實驗環(huán)節(jié),因此配備了DCS及控制儀表,通過組態(tài)可以進行多種控制實驗[5]。該裝置基于化工中的2個常規(guī)單元操作:精餾和萃取而建,完整地實現(xiàn)了以上2個單元操作,可以用于化工原理綜合實驗。同時該裝置的儀表、控制閥等盡量與化工企業(yè)實際相近,裝置達到化工中試規(guī)模,可以連續(xù)運行,所以也可以用于認識實習和生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)。該裝置使用了DCS作為控制系統(tǒng),可以靈活組態(tài),因此還可以在化工工藝控制的優(yōu)化、故障診斷等科研活動中應(yīng)用，滿足了化工專業(yè)的多方面教學需求。

1 化工過程自動控制課程實驗

1.1 化工過程控制簡介

“化工過程自動控制”是與化工工藝專業(yè)密切相關(guān)的一門專業(yè)課程?，F(xiàn)代化工企業(yè)尤其是中大型化工企業(yè)中,自動過程控制系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。自控系統(tǒng)已經(jīng)成為保障化工裝置持續(xù)穩(wěn)定運行的必要條件,并且可以有力支持企業(yè)進行質(zhì)量控制、工藝優(yōu)化、成本控制等一系列管理活動,自控系統(tǒng)已經(jīng)成為化工裝置日常運行的核心要素。在這一行業(yè)現(xiàn)狀背景下,化工工藝的設(shè)計、優(yōu)化等活動也與自動控制的方式、水平等密切相關(guān)。所以在各個高?；I(yè)中大多數(shù)已經(jīng)開設(shè)了化工過程自動控制的相關(guān)課程。

自動控制是一門實踐性很強的課程,理論需結(jié)合實踐講授。自控專業(yè)教授化工自控知識一般做法是分為自控理論和控制工程兩門課程,分別講授自動控制的基本知識和自動控制在化工企業(yè)中的應(yīng)用方式,對應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)則著重在通用的控制原理及方法,多使用若干種水槽實驗來進行[6]。而不少高?；I(yè)限于課時,一般把兩部分內(nèi)容合二為一,實驗環(huán)節(jié)則也常使用水槽實驗進行。

水槽控制實驗的特點決定它較適合講授控制的基本理論,基本控制回路雖然簡便易行，但是與化工工藝、裝置、儀表等有比較大差距。同時,化工專業(yè)對自控知識的教學目標與自控專業(yè)側(cè)重點不同,主要關(guān)注自控在化工裝置中的實現(xiàn)方法,包括控制策略及方式、優(yōu)化方法等,自控與工藝設(shè)計的關(guān)系及相互影響也需要講授。相比之下,自控的理論知識則適當降低,只需掌握基本的單回路控制,及串級、比例控制等幾種常見控制方法即可。

1.2 裝置設(shè)計

化工專業(yè)實驗中只進行水槽實驗有所欠缺,難以與其他化工專業(yè)課程很好地銜接,導致教學效果不佳。為改善這一狀況,我們建設(shè)帶有DCS控制系統(tǒng)的化工實驗裝置時,重點考慮了化工自動化課程的需求。該實驗裝置實現(xiàn)了萃取及精餾兩個單元操作,2個單元操作相互獨立,整個裝置的流程圖見圖1,其中虛線部分是為實現(xiàn)控制實驗增加的冗余管線和設(shè)備。

圖1 裝置流程圖

1.3 獨立控制回路自控實驗

該裝置可以經(jīng)過簡單調(diào)整變化為自控實驗裝置,可以進行由簡單到復雜的多種控制實驗。相比常見的水槽控制實驗設(shè)備,該裝置的控制實驗可以與化工工藝相結(jié)合進行，并且控制回路的硬件設(shè)備也與工業(yè)裝置相同。相比小型的水槽實驗裝置,該裝置更加符合化工工藝專業(yè)的學生進行自動控制實驗的需求。

需要進行控制實驗時,可使用手動閥門將裝置隔離成若干獨立的部分。允許學生分組進行互不干擾的多組控制實驗。如圖2是其中一種裝置隔離方案。在該方案中,裝置被隔離成4部分,每部分都可以進行獨立的液位控制實驗,可以控制一階或二階液位參數(shù)對

圖2 將裝置隔離進行液位控制實驗的流程圖

象,同時還可以進行流量控制。在這種模式下,控制課程中的被控對象特性測定、單回路控制、串級控制都可以實現(xiàn)。

以左側(cè)第1組罐為例,由上至下3個罐編號為V101—V103,泵編號為P101,則可以實現(xiàn)的控制實驗有:(1)使用泵P101的流量F101作為控制變量,泵出口直接接入V102入口,控制V102的液位L102,即為一階液位對象(L102)單回路控制實驗;(2)若使泵出口接入V101入口,V101流入V102,通過泵流量F101控制V102液位L102,即為二階液位對象的單回路控制實驗;(3)若使用泵流量控制V101液位L101,而使用L101間接控制V101液位L102,則可以實現(xiàn)F101-L101-L102的液位-液位串級控制;(4)使用泵轉(zhuǎn)速S101控制泵流量F101,再間接控制其中一液位量如L102,則可以構(gòu)成S101-F101-L102流量-液位串級控制。

這幾組裝置可以實現(xiàn)的實驗內(nèi)容與控制專業(yè)的水槽實驗原理類似,但是融合了化工裝置,使用化工裝置中常用的手段進行液位、流量等控制,更加符合化工專業(yè)的需要,而且4組裝置均不相同,被控對象特性有很大差異,可以給學生更多的挑戰(zhàn)。

整個裝置中可以作為被控的物理量有溫度,液位,流量,可以用作控制量的有泵轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)閥開度、加熱功率幾個直接操控參數(shù),涵蓋了大多數(shù)化工裝置中的控制量與被控量。對學生充分理解和掌握實際工業(yè)控制的方法大有裨益。

1.4與化工工藝相結(jié)合的自控綜合實驗

在分割狀態(tài)下裝置用于不同的控制回路實驗,而組合成圖1所示的單元操作狀態(tài)的裝置,控制實驗可以與化工工藝相結(jié)合,利用DCS的組態(tài)能力,針對不同的工藝要求,設(shè)計不同的控制策略,進行綜合性控制實驗。以精餾部分為例,對應(yīng)不同的精餾工藝要求,精餾可用的常用控制策略有6種以上。實驗可以設(shè)計成在進料組分波動的情況,優(yōu)先保證塔頂采出濃度和優(yōu)先塔釜采出濃度2個工藝要求下,要求學生進行控制策略的選擇,通過實驗比較和優(yōu)化控制策略。

這類綜合化工工藝和自動控制的問題場景是工業(yè)實際中的常見情形,相比自控專業(yè),這類綜合性自控問題才應(yīng)是化工專業(yè)開設(shè)自控課程的主要教學目標。目前化工工藝專業(yè)課程中已有相關(guān)內(nèi)容,但是缺乏相關(guān)的實驗環(huán)節(jié)。本裝置的設(shè)計可以填補這部分實驗的缺失。

該裝置通過設(shè)計,滿足了控制實驗的要求,兼顧了化工專業(yè)的特點,還可以結(jié)合工藝開展實驗,為控制和工藝兩門課程都增加了實驗內(nèi)容。

2 化工原理單元操作實驗

該實驗裝置以精餾和萃取單元操作為基礎(chǔ),因此組態(tài)成圖1所示的單元操作流程時可以進行相關(guān)的化工原理實驗。并且視不同的課程要求,可以有不同的操作方法。

如圖1所示裝置左半部分萃取部分為冷態(tài),可以使用水、煤油、苯甲酸體系,以水為萃取劑,從煤油中萃取苯甲酸。萃取塔為填料塔結(jié)構(gòu)。萃取部分實驗可以循環(huán)進行,水和煤油循環(huán)使用,正常情況下無需補充物料。通過萃取塔的流量、界位等控制可以進行萃取實驗,完成連續(xù)、間歇萃取操作,進行萃取過程性能測定等內(nèi)容。

裝置右半部分的精餾部分為熱態(tài),目前使用乙醇-水體系,其中精餾塔采用篩板塔。這部分實驗裝置可以開展精餾塔的教學內(nèi)容,如精餾裝置的開停車、精餾塔板效率測定、回流比對精餾過程的調(diào)節(jié)等。

精餾裝置中的水和乙醇分離后可以重新混合循環(huán)使用,正常情況也不需補充物料,僅冷凝水需要適當補充以彌補蒸發(fā)損失。精餾部分由于設(shè)計所限,塔釜采出液(含少量乙醇的水)返回原料罐需要切換管路,所以一般情況下實驗的連續(xù)循環(huán)進行受到水量限制。該裝置的實驗原料罐容量足夠支持正常教學課時長度的需要。如果出于實習需要進行長時間循環(huán)運行,可以將塔釜采出液排放掉,同時向原料罐定時補充水和少量乙醇即可。

該裝置有兩套控制系統(tǒng)。一套是現(xiàn)場顯示控制儀表,安裝在裝置旁的儀表柜內(nèi)。可以顯示整個裝置中的主要參數(shù)并加以控制。另一套是分散式控制系統(tǒng)(DCS),安裝在裝置所在房間的隔壁,模擬工廠控制室的狀態(tài),在DCS工作站上可以完全操控裝置、顯示和控制全部工藝參數(shù)。兩套控制系統(tǒng)可以在運行中隨時切換[7]。

視教學內(nèi)容的不同,該裝置可以按如下不同的操作方式運行:

進行化工原理課程的精餾實驗、萃取時,教學目標和重點是精餾和萃取的過程、原理、各個工藝參數(shù)變化的趨勢關(guān)系等。在這一教學目標要求下,裝置以全手動操作較合適,此時可以不使用任何控制儀表,僅通過手工調(diào)節(jié)各個管路上的閥門開度以及調(diào)節(jié)加熱功率來操作裝置,可以進行裝置的開停車及穩(wěn)態(tài)運行。也可以使用部分控制儀表半自動地操作裝置,在儀表輔助下可以通過控制儀表箱上的各個控制器來控制泵轉(zhuǎn)速、閥門開度、加熱功率等,也可以操控裝置,同時還可以講授部分化工儀表、控制方式等內(nèi)容。

進行化工自動控制的相關(guān)課程教學時,其教學目標的重點是控制回路及控制策略的設(shè)計、控制參數(shù)及控制效果的優(yōu)化調(diào)整。教學目標不是精餾本身的基本原理,而是工藝、控制、優(yōu)化等的綜合運用,而且精餾的基本原理應(yīng)該已經(jīng)作為先修課程為學生掌握,因此可以加快開停車過程并迅速穩(wěn)定工藝參數(shù),此時完全使用控制儀表進行自動操作或通過DCS控制系統(tǒng)進行操作則更為合適,可以讓學生集中注意力在控制上,同時可以通過DCS進行實時的趨勢分析等[8-10]。

該裝置經(jīng)仔細設(shè)計,針對不同的教學目標,允許使用不同的由簡單到復雜的操作方式來操作相同的工藝裝置,最大化地擴展了該裝置的可用范圍，同時可以開展多種教學活動,實現(xiàn)多個教學目標。

3 認識實習及科研活動

化工工藝專業(yè)的專業(yè)教學中的基礎(chǔ)實踐環(huán)節(jié)包括實習,實驗,課程設(shè)計等幾個方面,目前在高?；I(yè)的實踐環(huán)節(jié)中的實習環(huán)節(jié)由于各個工廠考慮安全、保密等因素,往往不允許學生直接操作化工裝置,也很難近距離觀察化工裝置,學生的實習活動基本是走馬看花,雖然比課堂教學能給學生帶來更多對化工的直觀認識,但是這些認識也只停留在感性認識層次。

相比之下,本套帶有DCS的實驗裝置完整實現(xiàn)了中試規(guī)模的2個單元操作,可以連續(xù)運行,比其他化工原理實驗設(shè)備更接近工業(yè)實際,而且?guī)в信c工業(yè)裝置一致的控制系統(tǒng)、安全防護措施等。因此我們在本科生認識實習環(huán)節(jié)增加了與該裝置相關(guān)的內(nèi)容,學生在下廠認識實習之前先來實驗中心了解該裝置。內(nèi)容包括:了解裝置的工藝,繪制裝置的主要流程圖,管道及儀表流程圖,了解工藝控制系統(tǒng)及控制回路的設(shè)計,了解常見儀表,并進行短時間的裝置的實際操作等。從學生反饋來看,對這套工藝裝置的參觀和了解,有效地起到了“預熱”的效果,幫助學生建立了工業(yè)裝置的整體印象,了解了化工工藝在工業(yè)裝置中的實現(xiàn),對裝置的運行方式、控制系統(tǒng)等也有了初步概念,這些對后續(xù)實習環(huán)節(jié)均有很大幫助。

本裝置由于配備了DCS,具有完備的數(shù)據(jù)采集和分析能力,因此在滿足教學任務(wù)之外還可以滿足一些科研用途[11-12]。例如基于在線數(shù)據(jù)分析的故障診斷的研究,可以通過進行在線數(shù)據(jù)趨勢分析來發(fā)現(xiàn)各種故障情況下的數(shù)據(jù)變化模式等,為工業(yè)場合的故障預測提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

本中心建造的中試實驗裝置以配套化工自動控制課程為主要目標,同時兼顧了化工原理實驗、認識實習等實踐環(huán)節(jié)的需求,通過對裝置的精心設(shè)計,可以一套裝置完成多個教學目標,使這一教學資源得到了充分利用。其中對其主要教學目標——化工自動控制實驗的設(shè)計突出了化工專業(yè)對自控教學的需求特點,軟硬件的設(shè)計建造盡量與工業(yè)實際接軌。同時發(fā)揮了DCS控制系統(tǒng)的靈活的組態(tài)能力,盡可能滿足了化工原理實驗、認識實習、科研等多方面需求。

高校中化工實驗裝置的建設(shè)和更新通常受到諸如場地、能源等較多限制,通過仔細設(shè)計裝置和相配套的實驗內(nèi)容,可以最大化設(shè)備的可用性,提高資源利用效率。本裝置的建設(shè)提供了一種可行的思路。

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Comprehensive applications of a pilot scale experiment equipment in chemical engineering experimental teaching

Cui Lin,Ding Li

(Chemical Engineering Experimental Teaching Center,Department of Chemical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084, China)

In order to satisfy the experimental requirements of the chemical process instruments and control course,a new pilot scale experiment equipment,based on the rectification and extract unit operation processes,is built in the chemical engineering experiment center.Aided by the associated distributed control system (DCS),the process and control logics can be reorganized,making it suitable for the process control experiments.The equipment also can be used in chemical engineering principles experiment course,the undergraduates’cognition practices,industrial practices and some research activities.That equipment adds experiment and practice contents in chemical engineering courses,improves the specialist education and efficiently utilizes the education resources.

experimental equipment; chemical engineering experiment; DCS; rectification and extract

2014- 06- 14

崔琳(1975—),男,河南濟源,博士,工程師,研究方向為實驗技術(shù)、實驗教學與管理,實驗設(shè)備與自控.

G484；TQ016.5

B

1002-4956(2015)2- 0082- 04