新一代多功能节能环保化学反应及过程实训系统

一、 背景
　　多年来，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学反应实验系统，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，还可以进行多种化学工程试验；可以灵活地进行多种过程控制实验与训练；当然还要投资省、运行和维护费用省。
　　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。
　　北京中泰联创科技有限公司为北京化工大学仿真中心开发的数据采集卡MPCE-1000全面应用于多功能节能环保化学反应及工程实训系统，使这套实验系统广泛应用于高等院校的教学实验及自动化工程师的考试中，发挥了积极的社会效益，得到了各界好评。
二、 多功能化学反应及过程实训系统构成
　　实训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、高逼真度的半实物模拟实验。
　　1．小型流程设备盘台
　　在钢制的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小（但却能够保持工业级大尺寸特性）的流程设备模型。主设备包括：一台卧式储罐（D-101）、两台高位计量罐（D-102、D-103）、一台带搅拌器的釜式反应器（T-104）、一台列管式热交换器（E-105）、三台离心泵（P-106、P-107、P-108）、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）等传感器插孔和数字式软仪表。本盘台是学生直接操作和运行过程系统的环境。本环境给学生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。
　　多功能化学反应及过程实训系统外观图

2．动态数学模型软件
　　动态数学模型软件运用动态定量仿真模型，模拟真实反应动力学过程和工艺流程，并提供各变量瞬态值。具体分为以下流程系统的动态仿真模型：
　　（1）连续反应（CSTR）动态仿真模型
　　（2）间歇反应动态仿真模型
　　（3）离心泵及特性动态仿真模型
　　（4）三级液位及传热动态仿真模型
　　（5）压力系统动态仿真模型
　　（6）热交换器过程动态仿真模型
　　能否采用半实物仿真技术进行科学实验，动态数学模型是关键。为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行、故障状态操作及控制，必须解决如下建模问题：
　　（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、阀门尺寸等，应能反映系统物料和能量的变化与传递的定量关系。
　　（2）动态模型应能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平衡特性、流体力学特性等，这些特性常常是非线性的。
　　（3）动态模型应能反映被仿真系统的动态时间常数、惯性、时间滞后、多容高阶特性。
　　（4）动态模型的求解速度应达到实时要求、求解精度应满足实验要求。
　　得益于本工程中心十五年来动态数学模型的建模经验，以上问题都得到较好的解决。传统的化学反应实验系统所存在的弱点，几乎都是借助于动态数学模型的实时仿真计算得到克服。为了进行复杂的控制实验，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块库，可以方便地通过"软连接"构造多种多样的控制系统。
3．控制系统图形组态软件
　　为了便于学生（教师）灵活地设计组合多种多样的控制方案，本实验系统提供自行开发的、专用的VC++控制系统图形组态软件。能够在计算机"桌面"上通过图形软连接、在"菜单"提示下填写参数和数据等方法完成控制系统组态。这种组态方法与集散型控制系统（DCS）组态完全相同，因此，比教学实验中常用的进口软件MATLAB 更直观、更简明、更符合工业级设计的要求。控制系统图形组态软件提供以下具体功能：
　　（1） 提供常见的PID 控制算法，允许学生配置参数
　　（2） 控制方案的设计，允许学生自行设计控制方案。
　　（3） 提供两种方式的控制算法组态：图形化控制算法组态工具；标准DLL 工程，将其它计算机的控制算法动态链接到当前控制回路中。
　　（4） 信号发生器组态。提供常用的信号发生器，可与当前的现场信号进行叠加。
　　（5） 信号输出组态。提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以进行信号后处理。
　　为了方便使用，控制系统图形组态软件具有错误组态方案的自诊断功能。当组态的方案不合理时，软件能给出提示。此外，还具有智能化自动排序功能，能够保证计算结果的准确性。
4．实验系统监控软件
　　盘台上的所有操作和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，我们称其为状态"全恢复"功能。本功能是实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。
　　实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理，便于学生选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。具体分为以下功能：
　　（1）实验开始、暂停、恢复及自检验功能
　　（2）实验项目切换
　　（3）实验项目当前状态（又称为"快照"）存储
　　（4）参数运行时的动态改变
　　（5）多画面切换
5．系统硬件功能
　　（1）硬件组态功能。在液晶显示器上彩色显示15 个数据单元（5 个棒图显示和10 个数码显示），每个显示单元都有一个数据输入插孔。另外在设备和管道上布置了几十个数据检测输出插孔。通过导线连接完成对显示单元显示数据内容的确定。
　　（2）硬件单元的自摘除功能。在本系统上可以完成规模不同的试验，每次进行试验的过程中投入使用的设备种类和数量可以通过组态软件定义。
　　（3）所有盘台上的阀门都是自动/手动可定义的双效阀门。
　　（4）即插即用功能。硬件单元通过地址开关设定地址。同类型的硬件单元可以互换。
　　（5）现场"全恢复"功能。现场的全部硬件设备可以通过软件设定为任意的工作状态。
三、反应动力学过程与工艺过程实验项目
　　多功能实验与训练系统的工艺流程图见图 2 所示。由于采用了半实物模拟新技术，在同一个实验盘台上可以通过计算机监控软件控制，自动组合成连续反应、间歇反应和多种工艺过程实验项目。实验内容可以全面重组和变化，重组和变化不需要附加管路和阀门、不必对设备进行重新机电组装，只需通过软件组态方式或改变信号线连接，由软件初始化一秒钟即可实现，易如反掌。主要反应过程和工艺过程实验项目如下：
1．连续反应（CSTR）系统
　　本项目解决了工艺过程实训的一项重要空缺。本连续反应过程是工业常见的典型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。
　　本系统在图 2 中的部位是：两台高位计量罐（D-102、D-103）、D-102 罐液位L2，入口双效阀V3，出口双效阀V4，D-103 罐液位L3，入口双效阀V2，出口双效阀V5，带搅拌器的釜式反应器（T-104）、反应器内主产物浓度A，反应温度T1，液位L4，T-104 出口流量F9，出口双效阀V9，出口泵（P-108），出口泵开关S5（开关），反应器第一夹套冷却水入口流量F7，双效阀V7，反应器第二夹套冷却水入口流量F8，双效阀V8，反应器夹套加热热水阀S6（开关），催化剂进料双效阀V6，反应器搅拌电机开关S8。
　　本实验与间歇反应系统一样，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，根本没有反应现象。
　　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；除了进行常规反应动力学实验训练外，本实验系统还可以进行安全分析和过程控制训练。
2．间歇反应系统
　　本项目解决了工艺过程实训的另一项重要空缺。本间歇反应过程是工业常见的典型的间歇过程，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。本系统在图 2 中的部位是：两台高位计量罐（D-102、D-103）、D-102 罐液位L2，入口双效阀V3，出口双效阀V4，D-103 罐液位L3，入口双效阀V2，出口双效阀V5，带搅拌器的釜式反应器（T-104）、反应器内主产物浓度A，反应温度T1，液位L4，T-104 出口流量F9，出口双效阀V9，出口泵（P-108），出口泵开关S5（开关），反应器蛇管冷却水入口
　　流量F7，双效阀V7，反应器夹套冷却水入口流量F8，双效阀V8，反应器夹套加热蒸气阀S6（开关），反应器放空阀V6，反应器搅拌电机开关S8。
　　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。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。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、计算机控制、故障诊断和高级控制实验。
　　小型流程设备盘台工艺流程图

 

3．离心泵及液位系统
　　本系统在图 2 中的部位是：卧式储罐（D-101），其上游的双效阀V1，入口流量F1，储罐压力P1，储罐液位L1，储罐下部出口快开阀S1（开关），离心泵（P-106），离心泵入口压力P2，离心泵出口压力P3，离心泵出口流量F2，离心泵高点排气阀S3（开关），排气完成指示灯D1，离心泵出口双效阀V2。
　　本实验系统可以进行非线性液位特性测试；离心泵开、停；离心泵特性测试；离心泵故障实验；离心泵相关的控制系统实验；离心泵与相关设备联合后的深层知识专家系统（SDG法）故障诊断等。
4．三级液位系统
　　本系统在图2 中的部位是：第一级液位系统，卧式储罐（D-101），其上游的双效阀V1，入口流量F1，储罐压力P1，储罐液位L1，储罐下部出口快开阀S1（开关），离心泵（P-106），离心泵入口压力P2，离心泵出口压力P3，离心泵出口流量F2，离心泵高点排气阀S3（开关），排气完成指示灯D1，离心泵出口双效阀V2；第二级液位系统，高位非线性计量罐（D-103），该罐的上部是直圆桶型，其液位变化为线性特性，下部为圆锥型，其液位变化为非线性特性，罐内压力P5，温度T6，液位L3，罐出口流量F5，出口双效阀V5；第三级液位系统，釜式反应器（T-104），反应器内压力P7，温度T1，液位L4，罐出口流量F9，出口双效阀V9，出口泵（P-108），出口泵开关S5（开关）。
　　本实验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计算；多级液位控制训练。此外，与常规三级液位实验系统相比，特别增加了非线性环节，为复杂控制方法的实验提供了可能。
5．气体压缩系统
　　本系统在图 2 中的部位是：透平式气体压缩机（P107），压缩机出口压力P4，出口流量F3，出口双效阀V3，气体缓冲罐（D-102），罐内压力P5，罐出口流量F4，罐出口双效阀V4，釜式反应器（T-104），反应器内压力P7。
　　本系统可以进行气体大口径管道输送流量测量及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；设备惰性气体置换充压过程及气体压力与流量控制训练。
6．热交换系统
　　列管式热交换器传热系统在图2 中的部位是：列管式热交换器（E-105）和带搅拌器的釜式反应器（T-104），E-105 管程入口流量F9，管程入口双效阀V9，管程入口温度T2，管程出口温度T3，壳程入口流量F10，壳程入口双效阀V10，壳程入口温度T4，壳程出口温度T5，壳程高点排气阀S7（开关），排气指示灯D2。
　　本系统可以进行列管式热交换器开、停车试验；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。此外，列管式热交换器属于变时间常数、高阶动态特性系统，可以进行高级控制规律的实验。
四、多功能反应与过程实训项目
　　本系统由于能够组合成两类化学反应、多种工艺过程的对象，因此可以进行多种反应过程和化工单元操作实验与训练。事实上，在本实验系统上可以进行的过程系统实验是排列组合的概念，即可以达到数百种之多。因为本系统可变化的内容包括了5 种工艺过程、设备尺寸可变、物料特性可变、工艺条件可变、10 个自动控制阀4 种阀特性的选择、29 个传感器信号选择、多点自由设定干扰、控制系统自由组态、控制算法自由嵌入等。所以，本实验系统上可以进行的反应动力学、化工过程和自动控制实验内容的变化具有多样性。这也是本系统革新传统实验系统的重要方面。由于这种自由组合功能，为学生和教师提供了一个多样化的验证型、综合型、设计型、创新型、探索型实验环境。
　　由于实验内容非常丰富，为了便于结合各校教学大纲选择所需要的实验，本实训系统提供5 个单元，共计36 种实验案例如下：
　　第一单元：连续反应系统
　　（1） 连续反应开、停车试验
　　（2） 连续反应多因素影响试验与分析
　　（3） 全混流连续反应平均停留时间测试与估算
　　（4） 全混流连续反应平均转化率测试与产量计算
　　（5） 多组分汽液平衡压力测试与估算
　　（6） 连续反应多回路（温度、压力、液位、流量）控制训练
　　（7） 连续反应故障试验与"如果-怎么办？方法"安全分析
　　第二单元：间歇反应系统
　　（8） 间歇反应开、停车试验
　　（9） 间歇反应多因素影响试验与分析
　　（10） 间歇反应物料量的计量与核算
　　（11） 间歇反应过程主、副反应竞争试验与分析
　　（12） 间歇反应过程主产物浓度变化规律测试与分析
　　（13） 间歇反应过程温度变化规律测试与分析
　　（14） 间歇反应过程压力变化规律测试与分析
　　（15） 间歇反应过程最优操作试验与分析
　　（16） 间歇反应过程故障试验与"如果-怎么办？方法"安全分析
　　第三单元：离心泵与液位系统
　　（17） 离心泵及液位系统开、停车试验
　　（18） 液位与流量的非线性特性实验
　　（19） 离心泵特性实验
　　（20） 阀门特性试验与计算
　　（21） 离心泵与液位系统的流量、液位和压力控制训练
　　（22） 离心泵与液位故障试验与"检查表法"分析
　　（23） SDG 方法离心泵与液位故障诊断实验
　　第四单元：三级液位系统
　　（24） 三级液位系统开、停车训练
　　（25） 串联容器物料平衡实验与计算
　　（26） 液位自衡实验及流体力学计算
　　（27） 多级液位控制训练
　　第五单元：气体压缩系统
　　（28） 压缩机充压开、停车试验
　　（29） 透平式压缩机特性测试
　　（30） 气体体积流量测量及标准状态体积流量换算
　　（31） 流体阻力与管路压降测试与计算
　　（32） 气体压缩系统压力控制训练
　　第六单元：热交换系统
　　（33） 列管式热交换器开、停车试验
　　（34） 列管式热交换器多工况对数温差测试与核算
　　（35） 列管式热交换器多工况总传热系数测试与核算
　　（36） 列管式热交换过程温度控制训练
五、优点
　　综上所述，多功能化学反应及过程实训系统有如下优点。
**易学、易用、易操作、易维护；
**彻底解决了连续和间歇化学反应的工程化实验难题；
**具有工艺过程实验和控制实验双重用途；
**能组合出大量工艺过程和系统控制实验项目；
**具有工业级装置与流程的增益、时间常数与动态特性；
**工艺及设备运行参数经得起工程设计标准的审核；
**达到了工业级高精度、高重复性验证型实验要求；
**达到了的综合型、设计型、创新型、探索型实验要求；
**可以满足多层次实验需要；
**是真正的安全、节能、环保的"绿色实验"系统；
**适用专业面宽（包括化学工程、精细化工、制药、应用化学、高分子材料、生命科
　　学、环境科学、过程自动化、过程装备与控制工程等多专业）。
　　多功能化学反应及过程实训系统实景

连续反应实验系统组态、监控软件平台画面

间歇反应实验系统组态、监控软件平台画面