中试实验装置在化工实验教学中的综合应用

崔 琳, 丁 立

(清华大学 化学工程系 化工实验教学中心, 北京 100084)



中试实验装置在化工实验教学中的综合应用

崔 琳, 丁 立

(清华大学 化学工程系 化工实验教学中心, 北京 100084)

为给化工仪表及自动化课程配套实验,建立了一套以萃取和精馏2个常规化工单元操作为基础的中试规模的实验装置,并配置了分散控制系统(DCS)。DCS经过软件组态可以进行多种基本控制实验和综合控制实验,满足课程实验要求。同时该装置还可以用于进行化工原理单元操作实验、综合实验等,也可以用于本科生的认识实习等实践活动及相关科研活动。该装置实现了“一专多能”,最大化地有效利用了教学资源,增加了多方面的实验内容,有效改善了教学效果。

实验装置； 化工实验； DCS； 精馏及萃取

化工专业的大学本科实践环节一般包括实习、实验、课程设计等几个环节。为提升教学质量,增加各个实践环节教学内容,改善教学效果,经综合考虑,本实验中心在近期设计建造了一套带有分散式控制系统(DCS)的中试规模实验装置。由于场地、时间等多方面条件限制,为充分利用资源,该实验装置设计阶段参考了国内外同类装置的设计经验[1-3],考虑了“一专多能”的要求[4],除了满足主要建造目的以外,还充分考虑了其他实践环节的教学要求,使得该实验装置可以在本科生的不同实践环节中得到综合运用,有效利用了实验教学资源。

该实验装置的主要建造目的是为化工过程自动控制课程配套实验环节,因此配备了DCS及控制仪表,通过组态可以进行多种控制实验[5]。该装置基于化工中的2个常规单元操作:精馏和萃取而建,完整地实现了以上2个单元操作,可以用于化工原理综合实验。同时该装置的仪表、控制阀等尽量与化工企业实际相近,装置达到化工中试规模,可以连续运行,所以也可以用于认识实习和生产实习环节。该装置使用了DCS作为控制系统,可以灵活组态,因此还可以在化工工艺控制的优化、故障诊断等科研活动中应用，满足了化工专业的多方面教学需求。

1 化工过程自动控制课程实验

1.1 化工过程控制简介

“化工过程自动控制”是与化工工艺专业密切相关的一门专业课程。现代化工企业尤其是中大型化工企业中,自动过程控制系统已经得到广泛应用。自控系统已经成为保障化工装置持续稳定运行的必要条件,并且可以有力支持企业进行质量控制、工艺优化、成本控制等一系列管理活动,自控系统已经成为化工装置日常运行的核心要素。在这一行业现状背景下,化工工艺的设计、优化等活动也与自动控制的方式、水平等密切相关。所以在各个高校化工专业中大多数已经开设了化工过程自动控制的相关课程。

自动控制是一门实践性很强的课程,理论需结合实践讲授。自控专业教授化工自控知识一般做法是分为自控理论和控制工程两门课程,分别讲授自动控制的基本知识和自动控制在化工企业中的应用方式,对应的实验环节则着重在通用的控制原理及方法,多使用若干种水槽实验来进行[6]。而不少高校化工专业限于课时,一般把两部分内容合二为一,实验环节则也常使用水槽实验进行。

水槽控制实验的特点决定它较适合讲授控制的基本理论,基本控制回路虽然简便易行，但是与化工工艺、装置、仪表等有比较大差距。同时,化工专业对自控知识的教学目标与自控专业侧重点不同,主要关注自控在化工装置中的实现方法,包括控制策略及方式、优化方法等,自控与工艺设计的关系及相互影响也需要讲授。相比之下,自控的理论知识则适当降低,只需掌握基本的单回路控制,及串级、比例控制等几种常见控制方法即可。

1.2 装置设计

化工专业实验中只进行水槽实验有所欠缺,难以与其他化工专业课程很好地衔接,导致教学效果不佳。为改善这一状况,我们建设带有DCS控制系统的化工实验装置时,重点考虑了化工自动化课程的需求。该实验装置实现了萃取及精馏两个单元操作,2个单元操作相互独立,整个装置的流程图见图1,其中虚线部分是为实现控制实验增加的冗余管线和设备。

图1 装置流程图

1.3 独立控制回路自控实验

该装置可以经过简单调整变化为自控实验装置,可以进行由简单到复杂的多种控制实验。相比常见的水槽控制实验设备,该装置的控制实验可以与化工工艺相结合进行，并且控制回路的硬件设备也与工业装置相同。相比小型的水槽实验装置,该装置更加符合化工工艺专业的学生进行自动控制实验的需求。

需要进行控制实验时,可使用手动阀门将装置隔离成若干独立的部分。允许学生分组进行互不干扰的多组控制实验。如图2是其中一种装置隔离方案。在该方案中,装置被隔离成4部分,每部分都可以进行独立的液位控制实验,可以控制一阶或二阶液位参数对

图2 将装置隔离进行液位控制实验的流程图

象,同时还可以进行流量控制。在这种模式下,控制课程中的被控对象特性测定、单回路控制、串级控制都可以实现。

以左侧第1组罐为例,由上至下3个罐编号为V101—V103,泵编号为P101,则可以实现的控制实验有:(1)使用泵P101的流量F101作为控制变量,泵出口直接接入V102入口,控制V102的液位L102,即为一阶液位对象(L102)单回路控制实验;(2)若使泵出口接入V101入口,V101流入V102,通过泵流量F101控制V102液位L102,即为二阶液位对象的单回路控制实验;(3)若使用泵流量控制V101液位L101,而使用L101间接控制V101液位L102,则可以实现F101-L101-L102的液位-液位串级控制;(4)使用泵转速S101控制泵流量F101,再间接控制其中一液位量如L102,则可以构成S101-F101-L102流量-液位串级控制。

这几组装置可以实现的实验内容与控制专业的水槽实验原理类似,但是融合了化工装置,使用化工装置中常用的手段进行液位、流量等控制,更加符合化工专业的需要,而且4组装置均不相同,被控对象特性有很大差异,可以给学生更多的挑战。

整个装置中可以作为被控的物理量有温度,液位,流量,可以用作控制量的有泵转速、调节阀开度、加热功率几个直接操控参数,涵盖了大多数化工装置中的控制量与被控量。对学生充分理解和掌握实际工业控制的方法大有裨益。

1.4与化工工艺相结合的自控综合实验

在分割状态下装置用于不同的控制回路实验,而组合成图1所示的单元操作状态的装置,控制实验可以与化工工艺相结合,利用DCS的组态能力,针对不同的工艺要求,设计不同的控制策略,进行综合性控制实验。以精馏部分为例,对应不同的精馏工艺要求,精馏可用的常用控制策略有6种以上。实验可以设计成在进料组分波动的情况,优先保证塔顶采出浓度和优先塔釜采出浓度2个工艺要求下,要求学生进行控制策略的选择,通过实验比较和优化控制策略。

这类综合化工工艺和自动控制的问题场景是工业实际中的常见情形,相比自控专业,这类综合性自控问题才应是化工专业开设自控课程的主要教学目标。目前化工工艺专业课程中已有相关内容,但是缺乏相关的实验环节。本装置的设计可以填补这部分实验的缺失。

该装置通过设计,满足了控制实验的要求,兼顾了化工专业的特点,还可以结合工艺开展实验,为控制和工艺两门课程都增加了实验内容。

2 化工原理单元操作实验

该实验装置以精馏和萃取单元操作为基础,因此组态成图1所示的单元操作流程时可以进行相关的化工原理实验。并且视不同的课程要求,可以有不同的操作方法。

如图1所示装置左半部分萃取部分为冷态,可以使用水、煤油、苯甲酸体系,以水为萃取剂,从煤油中萃取苯甲酸。萃取塔为填料塔结构。萃取部分实验可以循环进行,水和煤油循环使用,正常情况下无需补充物料。通过萃取塔的流量、界位等控制可以进行萃取实验,完成连续、间歇萃取操作,进行萃取过程性能测定等内容。

装置右半部分的精馏部分为热态,目前使用乙醇-水体系,其中精馏塔采用筛板塔。这部分实验装置可以开展精馏塔的教学内容,如精馏装置的开停车、精馏塔板效率测定、回流比对精馏过程的调节等。

精馏装置中的水和乙醇分离后可以重新混合循环使用,正常情况也不需补充物料,仅冷凝水需要适当补充以弥补蒸发损失。精馏部分由于设计所限,塔釜采出液(含少量乙醇的水)返回原料罐需要切换管路,所以一般情况下实验的连续循环进行受到水量限制。该装置的实验原料罐容量足够支持正常教学课时长度的需要。如果出于实习需要进行长时间循环运行,可以将塔釜采出液排放掉,同时向原料罐定时补充水和少量乙醇即可。

该装置有两套控制系统。一套是现场显示控制仪表,安装在装置旁的仪表柜内。可以显示整个装置中的主要参数并加以控制。另一套是分散式控制系统(DCS),安装在装置所在房间的隔壁,模拟工厂控制室的状态,在DCS工作站上可以完全操控装置、显示和控制全部工艺参数。两套控制系统可以在运行中随时切换[7]。

视教学内容的不同,该装置可以按如下不同的操作方式运行:

进行化工原理课程的精馏实验、萃取时,教学目标和重点是精馏和萃取的过程、原理、各个工艺参数变化的趋势关系等。在这一教学目标要求下,装置以全手动操作较合适,此时可以不使用任何控制仪表,仅通过手工调节各个管路上的阀门开度以及调节加热功率来操作装置,可以进行装置的开停车及稳态运行。也可以使用部分控制仪表半自动地操作装置,在仪表辅助下可以通过控制仪表箱上的各个控制器来控制泵转速、阀门开度、加热功率等,也可以操控装置,同时还可以讲授部分化工仪表、控制方式等内容。

进行化工自动控制的相关课程教学时,其教学目标的重点是控制回路及控制策略的设计、控制参数及控制效果的优化调整。教学目标不是精馏本身的基本原理,而是工艺、控制、优化等的综合运用,而且精馏的基本原理应该已经作为先修课程为学生掌握,因此可以加快开停车过程并迅速稳定工艺参数,此时完全使用控制仪表进行自动操作或通过DCS控制系统进行操作则更为合适,可以让学生集中注意力在控制上,同时可以通过DCS进行实时的趋势分析等[8-10]。

该装置经仔细设计,针对不同的教学目标,允许使用不同的由简单到复杂的操作方式来操作相同的工艺装置,最大化地扩展了该装置的可用范围，同时可以开展多种教学活动,实现多个教学目标。

3 认识实习及科研活动

化工工艺专业的专业教学中的基础实践环节包括实习,实验,课程设计等几个方面,目前在高校化工专业的实践环节中的实习环节由于各个工厂考虑安全、保密等因素,往往不允许学生直接操作化工装置,也很难近距离观察化工装置,学生的实习活动基本是走马看花,虽然比课堂教学能给学生带来更多对化工的直观认识,但是这些认识也只停留在感性认识层次。

相比之下,本套带有DCS的实验装置完整实现了中试规模的2个单元操作,可以连续运行,比其他化工原理实验设备更接近工业实际,而且带有与工业装置一致的控制系统、安全防护措施等。因此我们在本科生认识实习环节增加了与该装置相关的内容,学生在下厂认识实习之前先来实验中心了解该装置。内容包括:了解装置的工艺,绘制装置的主要流程图,管道及仪表流程图,了解工艺控制系统及控制回路的设计,了解常见仪表,并进行短时间的装置的实际操作等。从学生反馈来看,对这套工艺装置的参观和了解,有效地起到了“预热”的效果,帮助学生建立了工业装置的整体印象,了解了化工工艺在工业装置中的实现,对装置的运行方式、控制系统等也有了初步概念,这些对后续实习环节均有很大帮助。

本装置由于配备了DCS,具有完备的数据采集和分析能力,因此在满足教学任务之外还可以满足一些科研用途[11-12]。例如基于在线数据分析的故障诊断的研究,可以通过进行在线数据趋势分析来发现各种故障情况下的数据变化模式等,为工业场合的故障预测提供数据支持。

4 结束语

本中心建造的中试实验装置以配套化工自动控制课程为主要目标,同时兼顾了化工原理实验、认识实习等实践环节的需求,通过对装置的精心设计,可以一套装置完成多个教学目标,使这一教学资源得到了充分利用。其中对其主要教学目标——化工自动控制实验的设计突出了化工专业对自控教学的需求特点,软硬件的设计建造尽量与工业实际接轨。同时发挥了DCS控制系统的灵活的组态能力,尽可能满足了化工原理实验、认识实习、科研等多方面需求。

高校中化工实验装置的建设和更新通常受到诸如场地、能源等较多限制,通过仔细设计装置和相配套的实验内容,可以最大化设备的可用性,提高资源利用效率。本装置的建设提供了一种可行的思路。

References)

[1] 周爱东,杨红晓.中试实验室建设的思考[J].实验技术与管理,2009,26(10):144-146.

[2] 孙自强.化工自动化及仪表课程教学改革与实践[J].化工高等教育,2012(2):51-54.

[3] 罗健旭,顾幸生,刘漫丹,等.过程控制工程课程教学的创新与改革[J].化工高等教育,2012(2):19-22,65.

[4] 杨祖荣,陈旭东,曹仲义,等.谈谈化工原理实验室的改造与创新[J].化工高等教育,2003(2):55-56,40.

[5] 艾红.过程控制与集散控制系统教学实践的研究[J].实验技术与管理,2010,27(3):129-131.

[6] 何超,俞立,张丹.远程控制实验Web系统设计和开发[J].浙江工业大学学报,2009,37(5):473-476.

[7] 王宇,徐烨琨,刘江永,等.小型精馏实验装置开发与应用研究[J].实验技术与管理,2011,28(5):60-63.

[8] 赵延龄,蒲艳玲.精馏实验数据处理软件的开发与应用[J],实验技术与管理,2005,22(6):56-58.

[9] 林起提,冯毅.教学用精馏实验装置数据采集系统的研究[J].广东化工,2006,33(9):23-24,31.

[10] 王鑫国,郝丽丽,陆金桂.基于PLC的精馏实验装置研究与开发[J].化工自动化及仪表,2010,37(12):122-125.

[11] 陈秀宇,余美琼,陈国奋,等.筛板精馏塔实验操作条件的改进[J].福建师大福清分校学报,2011(2):28-32.

[12] 韦小杰,陈小鹏,王琳琳,等.精馏实验装置的改进与应用[J].实验科学与技术,2003(1):66-67.

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,河南济源,博士,工程师,研究方向为实验技术、实验教学与管理,实验设备与自控.

G484；TQ016.5

B

1002-4956(2015)2- 0082- 04