新一代多功能節能環保化學反應及過程實訓系統
yiliao
中泰研創
一、 背景
多年來，高等院校化學工程、精細化工、應用化學、高分子化學等專業（包括環境科學、生命科學、自動化過程控制專業和過程裝備與控制工程等專業）的教師們一直期待著有一種理想的多功能化學反應實驗系統，這種系統：能夠兼容連續和間歇兩種典型的化學反應；具有工業級規模動態特性；危險性最低（甚至沒有危險性）；反應產物無污染、后處理簡單；消耗最少的物料（甚至不消耗物料）；消耗最少的能源；除了化學反應實驗外，還可以進行多種化學工程試驗；可以靈活地進行多種過程控制實驗與訓練；當然還要投資省、運行和維護費用省。
新一代實驗系統，通過將小型半實物過程系統、微機控制系統與全數字仿真技術結合，實現了集多種教學和實驗功能于一身、真實感強、一機多用、無須物料、沒有產物和副產物、維修簡單、節能、安全、環保等理想實驗系統的要求，是教學實驗技術的一個新的飛躍。
北京中泰研創科技有限公司為北京化工大學仿真中心開發的數據采集卡MPCE-1000全面應用于多功能節能環保化學反應及工程實訓系統，使這套實驗系統廣泛應用于高等院校的教學實驗及自動化工程師的考試中，發揮了積極的社會效益，得到了各界好評。
二、 多功能化學反應及過程實訓系統構成
實訓系統由小型流程設備盤臺、數字式軟儀表與接口硬件、系統監控軟件及過程模型軟件四部分組成。四部分通過小型實時數據庫、實時數字通信協調運行，完成復雜的、高逼真度的半實物模擬實驗。
1．小型流程設備盤臺
在鋼制的盤臺上安裝著由不銹鋼制的比例縮小（但卻能夠保持工業級大尺寸特性）的流程設備模型。主設備包括：一臺臥式儲罐（D-101）、兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、一臺帶攪拌器的釜式反應器（T-104）、一臺列管式熱交換器（E-105）、三臺離心泵（P-106、P-107、P-108）、十個手動/自動雙效閥門和若干管路系統。在垂直的儀表盤面上分布有壓力（P）、流量（F）、溫度（T）、物位（L）、功率（N）、組成（A）和閥位（V）等傳感器插孔和數字式軟儀表。本盤臺是學生直接操作和運行過程系統的環境。本環境給學生以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此，本系統和真實系統的觀測界面完全一致。
2．動態數學模型軟件
動態數學模型軟件運用動態定量仿真模型，模擬真實反應動力學過程和工藝流程，并提供各變量瞬態值。具體分為以下流程系統的動態仿真模型：
（1）連續反應（CSTR）動態仿真模型
（2）間歇反應動態仿真模型
（3）離心泵及特性動態仿真模型
（4）三級液位及傳熱動態仿真模型
（5）壓力系統動態仿真模型
（6）熱交換器過程動態仿真模型
能否采用半實物仿真技術進行科學實驗，動態數學模型是關鍵。為了高逼真地進行過程的開、停車、正常運行、故障狀態操作及控制，必須解決如下建模問題：
（1）動態模型應能反映被仿真裝置的實際尺寸，包括設備尺寸、管道尺寸、閥門尺寸等，應能反映系統物料和能量的變化與傳遞的定量關系。
（2）動態模型應能反映被仿真系統的物理化學變化的規律，如反應動力學特性、氣液平衡特性、流體力學特性等，這些特性常常是非線性的。
（3）動態模型應能反映被仿真系統的動態時間常數、慣性、時間滯后、多容高階特性。
（4）動態模型的求解速度應達到實時要求、求解精度應滿足實驗要求。
得益于本工程中心十五年來動態數學模型的建模經驗，以上問題都得到較好的解決。傳統的化學反應實驗系統所存在的弱點，幾乎都是借助于動態數學模型的實時仿真計算得到克服。為了進行復雜的控制實驗，除了過程模型外還特別開發了常用控制算法模塊庫，可以方便地通過"軟連接"構造多種多樣的控制系統。
3．控制系統圖形組態軟件
為了便于學生（教師）靈活地設計組合多種多樣的控制方案，本實驗系統提供自行開發的、專用的VC++控制系統圖形組態軟件。能夠在計算機"桌面"上通過圖形軟連接、在"菜單"提示下填寫參數和數據等方法完成控制系統組態。這種組態方法與集散型控制系統（DCS）組態完全相同，因此，比教學實驗中常用的進口軟件MATLAB 更直觀、更簡明、更符合工業級設計的要求。控制系統圖形組態軟件提供以下具體功能：
（1） 提供常見的PID 控制算法，允許學生配置參數
（2） 控制方案的設計，允許學生自行設計控制方案。
（3） 提供兩種方式的控制算法組態：圖形化控制算法組態工具；標準DLL 工程，將其它計算機的控制算法動態鏈接到當前控制回路中。
（4） 信號發生器組態。提供常用的信號發生器，可與當前的現場信號進行疊加。
（5） 信號輸出組態。提供信號輸出顯示、歷史趨勢記錄、文件保存等功能，以進行信號后處理。
為了方便使用，控制系統圖形組態軟件具有錯誤組態方案的自診斷功能。當組態的方案不合理時，軟件能給出提示。此外，還具有智能化自動排序功能，能夠保證計算結果的準確性。
4．實驗系統監控軟件
盤臺上的所有操作和顯示變量都能由軟件控制，可以在瞬間設定新的狀態，我們稱其為狀態"全恢復"功能。本功能是實驗系統的一大特色，利用本特點可以任意設定干擾、故障狀態或某一特定狀態、重演過去記錄的狀態及某時間段落的變化狀態等。
實驗系統監控軟件對每一項實驗提供工程管理，便于學生選擇不同的實驗，以及對當前的實驗進行管理。具體分為以下功能：
（1）實驗開始、暫停、恢復及自檢驗功能
（2）實驗項目切換
（3）實驗項目當前狀態（又稱為"快照"）存儲
（4）參數運行時的動態改變
（5）多畫面切換
5．系統硬件功能
（1）硬件組態功能。在液晶顯示器上彩色顯示15 個數據單元（5 個棒圖顯示和10 個數碼顯示），每個顯示單元都有一個數據輸入插孔。另外在設備和管道上布置了幾十個數據檢測輸出插孔。通過導線連接完成對顯示單元顯示數據內容的確定。
（2）硬件單元的自摘除功能。在本系統上可以完成規模不同的試驗，每次進行試驗的過程中投入使用的設備種類和數量可以通過組態軟件定義。
（3）所有盤臺上的閥門都是自動/手動可定義的雙效閥門。
（4）即插即用功能。硬件單元通過地址開關設定地址。同類型的硬件單元可以互換。
（5）現場"全恢復"功能。現場的全部硬件設備可以通過軟件設定為任意的工作狀態。
三、反應動力學過程與工藝過程實驗項目
多功能實驗與訓練系統的工藝流程圖見圖 2 所示。由于采用了半實物模擬新技術，在同一個實驗盤臺上可以通過計算機監控軟件控制，自動組合成連續反應、間歇反應和多種工藝過程實驗項目。實驗內容可以全面重組和變化，重組和變化不需要附加管路和閥門、不必對設備進行重新機電組裝，只需通過軟件組態方式或改變信號線連接，由軟件初始化一秒鐘即可實現，易如反掌。主要反應過程和工藝過程實驗項目如下：
1．連續反應（CSTR）系統
本項目解決了工藝過程實訓的一項重要空缺。本連續反應過程是工業常見的典型的帶攪拌的釜式反應器（CSTR）系統，同時又是高分子聚合反應，具有廣泛的代表性。
本系統在圖 2 中的部位是：兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、D-102 罐液位L2，入口雙效閥V3，出口雙效閥V4，D-103 罐液位L3，入口雙效閥V2，出口雙效閥V5，帶攪拌器的釜式反應器（T-104）、反應器內主產物濃度A，反應溫度T1，液位L4，T-104 出口流量F9，出口雙效閥V9，出口泵（P-108），出口泵開關S5（開關），反應器第一夾套冷卻水入口流量F7，雙效閥V7，反應器第二夾套冷卻水入口流量F8，雙效閥V8，反應器夾套加熱熱水閥S6（開關），催化劑進料雙效閥V6，反應器攪拌電機開關S8。
本實驗與間歇反應系統一樣，是當前工藝全實物實驗根本無法進行的高危險性實驗，又是非常需要的反應動力學實驗內容。此外，全實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應產物的處理、廢氣廢液的處理和環境污染問題，以上各項問題比間歇反應更嚴重，因為連續反應的處理量大大超過間歇過程。國內現有的連續反應實驗系統實際上都是水位及流量系統，根本沒有反應現象。
本實驗系統可以進行連續反應開、停車試驗；多因素（進料量、冷卻量、催化劑量、攪拌等）影響試驗與分析；全混流連續反應平均停留時間測試與估算；全混流連續反應平均轉化率測試與產量計算；多組分汽液平衡壓力測試與估算；除了進行常規反應動力學實驗訓練外，本實驗系統還可以進行安全分析和過程控制訓練。
2．間歇反應系統
本項目解決了工藝過程實訓的另一項重要空缺。本間歇反應過程是工業常見的典型的間歇過程，在精細化工、催化劑制備、制藥業、溶劑與染料中間體等行業具有廣泛的代表性。本系統在圖 2 中的部位是：兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、D-102 罐液位L2，入口雙效閥V3，出口雙效閥V4，D-103 罐液位L3，入口雙效閥V2，出口雙效閥V5，帶攪拌器的釜式反應器（T-104）、反應器內主產物濃度A，反應溫度T1，液位L4，T-104 出口流量F9，出口雙效閥V9，出口泵（P-108），出口泵開關S5（開關），反應器蛇管冷卻水入口
流量F7，雙效閥V7，反應器夾套冷卻水入口流量F8，雙效閥V8，反應器夾套加熱蒸氣閥S6（開關），反應器放空閥V6，反應器攪拌電機開關S8。
本實驗系統選擇了間歇反應過程中最為復雜的一種，具有主副反應的競爭、放熱劇烈、壓力隨溫度急劇變化等特點，是當前工藝全實物實驗根本無法進行的高危險性實驗，又是非常需要的反應動力學實驗內容。此外，全實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應產物的處理、廢氣廢液的處理和環境污染問題。國內現有的間歇反應實驗系統實際上都是水位及流量系統，根本沒有反應現象。
本間歇反應實驗系統可以進行開、停車試驗；多因素影響試驗與分析；物料量的計量與核算；主、副反應競爭試驗與分析；反應主產物濃度變化規律測試與分析；反應溫度變化規律測試與分析；反應壓力變化規律測試與分析等。此外還可以進行安全分析、計算機控制、故障診斷和高級控制實驗。
3．離心泵及液位系統
本系統在圖 2 中的部位是：臥式儲罐（D-101），其上游的雙效閥V1，入口流量F1，儲罐壓力P1，儲罐液位L1，儲罐下部出口快開閥S1（開關），離心泵（P-106），離心泵入口壓力P2，離心泵出口壓力P3，離心泵出口流量F2，離心泵高點排氣閥S3（開關），排氣完成指示燈D1，離心泵出口雙效閥V2。
本實驗系統可以進行非線性液位特性測試；離心泵開、停；離心泵特性測試；離心泵故障實驗；離心泵相關的控制系統實驗；離心泵與相關設備聯合后的深層知識專家系統（SDG法）故障診斷等。
4．三級液位系統
本系統在圖2 中的部位是：第一級液位系統，臥式儲罐（D-101），其上游的雙效閥V1，入口流量F1，儲罐壓力P1，儲罐液位L1，儲罐下部出口快開閥S1（開關），離心泵（P-106），離心泵入口壓力P2，離心泵出口壓力P3，離心泵出口流量F2，離心泵高點排氣閥S3（開關），排氣完成指示燈D1，離心泵出口雙效閥V2；第二級液位系統，高位非線性計量罐（D-103），該罐的上部是直圓桶型，其液位變化為線性特性，下部為圓錐型，其液位變化為非線性特性，罐內壓力P5，溫度T6，液位L3，罐出口流量F5，出口雙效閥V5；第三級液位系統，釜式反應器（T-104），反應器內壓力P7，溫度T1，液位L4，罐出口流量F9，出口雙效閥V9，出口泵（P-108），出口泵開關S5（開關）。
本實驗系統可以進行串聯容器物料平衡實驗與計算；液位自衡實驗及流體力學計算；多級液位控制訓練。此外，與常規三級液位實驗系統相比，特別增加了非線性環節，為復雜控制方法的實驗提供了可能。
5．氣體壓縮系統
本系統在圖 2 中的部位是：透平式氣體壓縮機（P107），壓縮機出口壓力P4，出口流量F3，出口雙效閥V3，氣體緩沖罐（D-102），罐內壓力P5，罐出口流量F4，罐出口雙效閥V4，釜式反應器（T-104），反應器內壓力P7。
本系統可以進行氣體大口徑管道輸送流量測量及管路阻力和壓降試驗；氣體體積流量換算實驗；透平式氣體壓縮機特性試驗；設備惰性氣體置換充壓過程及氣體壓力與流量控制訓練。
6．熱交換系統
列管式熱交換器傳熱系統在圖2 中的部位是：列管式熱交換器（E-105）和帶攪拌器的釜式反應器（T-104），E-105 管程入口流量F9，管程入口雙效閥V9，管程入口溫度T2，管程出口溫度T3，殼程入口流量F10，殼程入口雙效閥V10，殼程入口溫度T4，殼程出口溫度T5，殼程高點排氣閥S7（開關），排氣指示燈D2。
本系統可以進行列管式熱交換器開、停車試驗；多工況對數溫差測試與核算；多工況總傳熱系數測試與核算；列管式熱交換過程溫度控制訓練。此外，列管式熱交換器屬于變時間常數、高階動態特性系統，可以進行高級控制規律的實驗。
四、多功能反應與過程實訓項目
本系統由于能夠組合成兩類化學反應、多種工藝過程的對象，因此可以進行多種反應過程和化工單元操作實驗與訓練。事實上，在本實驗系統上可以進行的過程系統實驗是排列組合的概念，即可以達到數百種之多。因為本系統可變化的內容包括了5 種工藝過程、設備尺寸可變、物料特性可變、工藝條件可變、10 個自動控制閥4 種閥特性的選擇、29 個傳感器信號選擇、多點自由設定干擾、控制系統自由組態、控制算法自由嵌入等。所以，本實驗系統上可以進行的反應動力學、化工過程和自動控制實驗內容的變化具有多樣性。這也是本系統革新傳統實驗系統的重要方面。由于這種自由組合功能，為學生和教師提供了一個多樣化的驗證型、綜合型、設計型、創新型、探索型實驗環境。
由于實驗內容非常豐富，為了便于結合各校教學大綱選擇所需要的實驗，本實訓系統提供5 個單元，共計36 種實驗案例如下：
第一單元：連續反應系統
（1） 連續反應開、停車試驗
（2） 連續反應多因素影響試驗與分析
（3） 全混流連續反應平均停留時間測試與估算
（4） 全混流連續反應平均轉化率測試與產量計算
（5） 多組分汽液平衡壓力測試與估算
（6） 連續反應多回路（溫度、壓力、液位、流量）控制訓練
（7） 連續反應故障試驗與"如果-怎么辦？方法"安全分析
第二單元：間歇反應系統
（8） 間歇反應開、停車試驗
（9） 間歇反應多因素影響試驗與分析
（10） 間歇反應物料量的計量與核算
（11） 間歇反應過程主、副反應競爭試驗與分析
（12） 間歇反應過程主產物濃度變化規律測試與分析
（13） 間歇反應過程溫度變化規律測試與分析
（14） 間歇反應過程壓力變化規律測試與分析
（15） 間歇反應過程最優操作試驗與分析
（16） 間歇反應過程故障試驗與"如果-怎么辦？方法"安全分析
第三單元：離心泵與液位系統
（17） 離心泵及液位系統開、停車試驗
（18） 液位與流量的非線性特性實驗
（19） 離心泵特性實驗
（20） 閥門特性試驗與計算
（21） 離心泵與液位系統的流量、液位和壓力控制訓練
（22） 離心泵與液位故障試驗與"檢查表法"分析
（23） SDG 方法離心泵與液位故障診斷實驗
第四單元：三級液位系統
（24） 三級液位系統開、停車訓練
（25） 串聯容器物料平衡實驗與計算
（26） 液位自衡實驗及流體力學計算
（27） 多級液位控制訓練
第五單元：氣體壓縮系統
（28） 壓縮機充壓開、停車試驗
（29） 透平式壓縮機特性測試
（30） 氣體體積流量測量及標準狀態體積流量換算
（31） 流體阻力與管路壓降測試與計算
（32） 氣體壓縮系統壓力控制訓練
第六單元：熱交換系統
（33） 列管式熱交換器開、停車試驗
（34） 列管式熱交換器多工況對數溫差測試與核算
（35） 列管式熱交換器多工況總傳熱系數測試與核算
（36） 列管式熱交換過程溫度控制訓練
五、優點
綜上所述，多功能化學反應及過程實訓系統有如下優點。
易學、易用、易操作、易維護；
徹底解決了連續和間歇化學反應的工程化實驗難題；
具有工藝過程實驗和控制實驗雙重用途；
能組合出大量工藝過程和系統控制實驗項目；
具有工業級裝置與流程的增益、時間常數與動態特性；
工藝及設備運行參數經得起工程設計標準的審核；
達到了工業級高精度、高重復性驗證型實驗要求；
達到了的綜合型、設計型、創新型、探索型實驗要求；
可以滿足多層次實驗需要；
是真正的安全、節能、環保的"綠色實驗"系統；
適用專業面寬（包括化學工程、精細化工、制藥、應用化學、高分子材料、生命科
學、環境科學、過程自動化、過程裝備與控制工程等多專業）。
多功能化學反應及過程實訓系統實景
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