過控專業(yè)“五位一體”特色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制與探討

姜文全,昝靜一,楊 帆,任建民

(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化和工程技術(shù)人才國際化的發(fā)展趨勢,高校人才培養(yǎng)逐步轉(zhuǎn)向國際通用的工程教育認(rèn)證模式[1-4]。我校過程裝備與控制工程專業(yè)在長期面向石油化工行業(yè)和地方辦學(xué)的過程中形成了鮮明的石油化工特色。目前,我校過程裝備與控制工程專業(yè)面臨中國工程教育專業(yè)認(rèn)證的任務(wù),傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室已不能滿足“專業(yè)認(rèn)證”中所提出的設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型、綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)及針對復(fù)雜工程問題的解決等功能實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐要求[5-7]。為此,研制出一套可分解、能綜合,同時彰顯石化特色的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新、獨(dú)立設(shè)計(jì)及解決復(fù)雜工程問題等能力奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于石化特色的“五位一體”過控專業(yè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以過程裝備與控制工程專業(yè)的石油化工特色的課程體系為載體,本著“獨(dú)立綜合、拓展創(chuàng)新”的原則,構(gòu)建離心泵實(shí)驗(yàn)?zāi)K、管路特性實(shí)驗(yàn)?zāi)K、換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、塔設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K及反應(yīng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K5部分,即為“五位”；各模塊有序結(jié)合形成綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),即成“一體”。過控專業(yè)“五位一體”特色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總圖見圖1。

圖1 過控專業(yè)“五位一體”特色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總圖

1.1 離心泵實(shí)驗(yàn)?zāi)K

離心泵實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖2)主要包括離心泵、水罐、真空表、壓力表、功率表、流量計(jì)、液位計(jì)、變頻器、調(diào)節(jié)閥和手動閥。離心水泵P101A、P101B從水罐抽水,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)節(jié)串并聯(lián)切換閥,出水經(jīng)回流管返回水罐,測量穩(wěn)定狀態(tài)下泵的出口壓力與流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與單臺泵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,完成離心泵串、并聯(lián)實(shí)驗(yàn)。

圖2 離心泵實(shí)驗(yàn)?zāi)K

1.2 管路特性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

管路特性實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖3)主要包括離心泵、風(fēng)機(jī)、水罐、緩沖罐、光滑管、粗糙管、文丘里管、閘閥。離心泵抽取水罐內(nèi)的水,經(jīng)調(diào)節(jié)閥控制流量后分別進(jìn)入各實(shí)驗(yàn)管道,測定不同流量下的壓差后返回水罐,完成不同管道的管阻特性實(shí)驗(yàn)。

1.3 反應(yīng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K

反應(yīng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖4)主要包括攪拌釜、水罐、乙醇罐、離心泵、混合罐、閃蒸槽、冷凝器等部分組成。水和乙醇分別從水罐V101和乙醇罐V102經(jīng)離心水泵P101A和乙醇泵P102輸送至攪拌釜R101或靜態(tài)混合器R102,混合后的混合物排放至混合罐V106。攪拌釜內(nèi)乙醇水混合物利用夾套內(nèi)蒸汽加熱至實(shí)驗(yàn)溫度、壓力后,經(jīng)減壓閥進(jìn)入閃蒸槽。閃蒸槽上部出來的蒸氣經(jīng)閃蒸冷凝器冷凝,冷凝液返回乙醇罐。

圖3 管路特性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

圖4 反應(yīng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K

1.4 換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)K

換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖5)主要包括套管式換熱器、板式換熱器、螺旋板式換熱器、列管式換熱器、蒸汽發(fā)生器、離心泵等設(shè)備。熱介質(zhì)由蒸汽發(fā)生器或其他模塊提供,冷介質(zhì)為冷卻水。熱器性能測試,主要對套管式換熱器、板式換熱器、螺旋板式換熱器和列管式換熱器進(jìn)行其性能的測試及換熱性能對比分析,并留有外接接口,可實(shí)現(xiàn)外接換熱設(shè)備的性能測試及分析。

圖5 換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)K

1.5 塔設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K

塔設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K(見圖6)分為精餾段和吸收段兩部分組成。精餾段設(shè)備主要包括離心泵、蒸汽發(fā)生器、換熱器、再沸器、涼水塔、冷卻水泵、板式精餾塔、回流罐、填料精餾塔等設(shè)備?；旌瞎轛106內(nèi)約20%的水-乙醇混合液,經(jīng)精餾塔進(jìn)料泵P201后輸送至進(jìn)料預(yù)熱器E202,預(yù)熱后經(jīng)閥門切換,由精餾塔中部進(jìn)入板式精餾塔T201或填料精餾塔T202進(jìn)行分離。氣相由塔頂餾出,經(jīng)塔頂冷凝器E206或E207冷卻后進(jìn)入回流罐V201或V202,經(jīng)回流泵P203或P204,一部分送至精餾塔上部第一塊塔板作回流，另一部分送至產(chǎn)品罐V203作為產(chǎn)品采出。塔釜?dú)堃航?jīng)塔底殘液冷卻器E210或E211冷卻后送殘液罐V204。

吸收段包括板式吸收塔、填料吸收塔、空氣壓縮機(jī)、緩沖罐、涼水塔、水箱、離心泵等設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)裝置采用水吸收空氣中的CO2組分,一般CO2在水中的溶解度很小,即使預(yù)先將一定量的CO2氣體通入水中混合以提高空氣中的CO2濃度,水中的CO2含量仍然很低,所以吸收的計(jì)算方法可按低濃度來處理,并且此體系CO2氣體的解吸過程屬于液膜控制。

2 開設(shè)實(shí)驗(yàn)

2.1 課程實(shí)驗(yàn)

為滿足工程教育實(shí)踐教學(xué)的要求,過控專業(yè)“五位一體”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的5個實(shí)驗(yàn)?zāi)K圍繞工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、過程原理與設(shè)備、過程裝備控制技術(shù)、過程裝備測試技術(shù)、過程流體機(jī)械、過程設(shè)備設(shè)計(jì)等課程,共開設(shè)19項(xiàng)獨(dú)立的課程實(shí)驗(yàn)(見表1)。這些實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生充分理解課程知識,并提高學(xué)生實(shí)踐能力。

圖6 塔設(shè)備實(shí)驗(yàn)?zāi)K

表1 過控專業(yè)“五位一體”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中課程實(shí)驗(yàn)

2.2 特色綜合實(shí)驗(yàn)

特色綜合實(shí)驗(yàn)見表2。離心泵模塊方案三選一、管路模塊方案三選一、反應(yīng)釜模塊方案二選一、換熱器模塊實(shí)驗(yàn)方案十六選一、精餾塔方案二選一、吸收塔方案二選一,可組成432種不同的實(shí)驗(yàn)方案。綜合實(shí)驗(yàn)流程為離心泵輸送乙醇水溶液,通過選取的管路進(jìn)入到反應(yīng)釜中實(shí)現(xiàn)兩類操作:(1)乙醇水溶液與水混合稀釋(稀釋后乙醇濃度為20%),混合液經(jīng)加熱后進(jìn)入精餾塔進(jìn)行精餾,精餾尾氣再經(jīng)吸收塔吸收；(2)乙醇水溶液與熱蒸氣進(jìn)行閃蒸,乙醇蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝回收,尾氣進(jìn)入吸收塔吸收。針對特色綜合實(shí)驗(yàn),本專業(yè)新增一門24學(xué)時、1學(xué)分的“過程裝備綜合實(shí)驗(yàn)課程”,該課程為必修課程。同時,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)識、運(yùn)行操作等環(huán)節(jié)有效地支撐過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、過程原理與設(shè)備課程設(shè)計(jì)、認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐課程。

2.3 創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)

(1) 離心泵汽蝕和氣敷影響因素實(shí)驗(yàn)。汽蝕和氣敷對離心泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)危害很大,必須設(shè)法避免,通過實(shí)驗(yàn)手段研究汽蝕和氣敷的成因及主要影響因素[8-9],可為發(fā)展汽蝕和氣敷預(yù)防技術(shù)提供直接參考。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的離心泵性能實(shí)驗(yàn)?zāi)K可分別拓展開設(shè)汽蝕特性實(shí)驗(yàn)和氣敷實(shí)驗(yàn),研究不同流量、不同入口壓力、不同氣液比條件下的汽蝕及氣敷特征。

表2 特色綜合實(shí)驗(yàn)

(2) 混合過程強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)化混合單元操作是過程工業(yè)節(jié)能增效的重要一環(huán)[10]。用盡可能短的流程,使不相混溶的兩種流體快速均勻混合,或使添加劑在主流介質(zhì)中分散均勻,是許多工業(yè)生產(chǎn)過程提出的共性要求。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)?zāi)K可拓展開設(shè)不相混溶的兩種流體的混合過程強(qiáng)化實(shí)驗(yàn),又可進(jìn)行添加劑在主流介質(zhì)中分散混合過程強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)。

(3) 新型換熱元件強(qiáng)化傳熱效果實(shí)驗(yàn)。熱交換過程在工業(yè)生產(chǎn)中無處不在,傳熱過程強(qiáng)化長久以來一直是研究熱點(diǎn)[11-12]。開發(fā)新型換熱元件并將其用于工業(yè)生產(chǎn),是傳熱過程強(qiáng)化技術(shù)研究的主要目的之一。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的換熱器性能綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過預(yù)留接口,可進(jìn)行新型換熱元件強(qiáng)化傳熱效果測定實(shí)驗(yàn)。

3 學(xué)生能力培養(yǎng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圍繞離心泵、管路、反應(yīng)釜、換熱器、塔器5類典型的化工裝置,搭建了介質(zhì)輸送、換熱、混合、分離、精餾、吸收等單元操作實(shí)驗(yàn)?zāi)K。開設(shè)19項(xiàng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從不同角度測定離心泵、管路、反應(yīng)釜、換熱器、塔器在過程工業(yè)生產(chǎn)中的狀態(tài)特性。使學(xué)生對課程中相關(guān)機(jī)械、設(shè)備及元件的工作特性形成初步認(rèn)識,培養(yǎng)學(xué)生工程意識,提高學(xué)生工程實(shí)踐能力,為學(xué)生識別、界定過程裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。同時,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組合方案,建立介質(zhì)的輸送、換熱、混合、閃蒸、精餾到尾氣吸收的整套工藝過程,加深學(xué)生對過程工業(yè)生產(chǎn)的認(rèn)識,培養(yǎng)學(xué)生工程綜合設(shè)計(jì)能力。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)留了多個外接設(shè)備接口,學(xué)生可依托專業(yè)教師的科研課題,開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn),如泵的汽蝕、氣敷實(shí)驗(yàn)、混合強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)、新型換熱實(shí)驗(yàn)等,實(shí)驗(yàn)參數(shù)、過程及處理分析均由學(xué)生自行完成,實(shí)驗(yàn)成果可用于實(shí)踐創(chuàng)新大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等活動,培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

4 結(jié)論

通過研制“過程裝備與控制工程專業(yè)“五位一體”特色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”,極大地改善了本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的5個模塊可獨(dú)立、可綜合、可外接,為本專業(yè)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)新等能力的培養(yǎng)提供了特色鮮明的實(shí)驗(yàn)平臺。同時,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可服務(wù)于機(jī)械工程學(xué)院安全工程、機(jī)械工程及自動化、測控技術(shù)與儀器等多個專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

References)

[1] 李建霞,閆朝陽.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017,36(1):156-159.

[2] 陸勇.淺談工程教育專業(yè)認(rèn)證與地方本科高等工程教育改革[J].高等工程教育研究,2015(6):157-161.

[3] 王玲,雷環(huán).《華盛頓協(xié)議》簽約成員的工程教育認(rèn)證特點(diǎn)及其對我國的啟示[J].清華大學(xué)教育研究,2008,29(5):88-92.

[4] 韓鳳霞,鄭軍,張茜.基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的工程訓(xùn)練教學(xué)的改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(10):56-58.

[5] 曹中一,劉新星,潘清林.專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(1):5-6.

[6] 周勇軍.過程裝備與控制工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建設(shè)[J].中國電力教育,2009(22):117-118.

[7] 鄭毅敏,王春秀.工科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(1):147-148.

[8] 周云龍,呂遠(yuǎn)征.基于多點(diǎn)噪聲分析的離心泵早期汽蝕故障診斷[J].振動與沖擊,2017,36(7):39-44.

[9] 李云,姜培正.過程流體機(jī)械[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[10] 鄭津洋,桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

[11] 鄭秀英,張進(jìn)明,白守禮,等.提高本科生實(shí)踐創(chuàng)新能力的探索[J].中國大學(xué)教育,2007(2):47-49.

[12] 李強(qiáng),許偉偉,王建軍,等.過程裝備與控制工程專業(yè)立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(11):187-190.