过程装备与控制工程试验系统的设计

【摘要】根据生产所需完成的实验项目，设计过程装备与控制综合实验系统，以满足生产实验项目的需要。同时借鉴其之前实验设备的成熟经验，本着高起点、综合性、实用性强的原则提出了本设计方案。

【关键词】过程装备与控制工程；实验系统；生产实验

中图分类号：TP277

一、过程装备与控制工程综合实验系统的技术要求

（1）技术指标

压力测量范围：0-90MPa，压力控制精度：±0.5%FS

温度测量范围：O-ICKTC，温度控制精度：土0.5%FS

流量测量范围：O-lOL/min，流量控制精度：±0.5%FS

液位测量范围：0-300mm，液位控制精度：±0.5%FS

（2）装置配套及对环境要求

电源：380V±30V. 50Hz

温度：0～40℃

相对湿度>75%

二、过程装备与控制工程实验系统的工作原理

1、化工原理实验

（1）换热器换热性能试验

热流体放出的热量为：

Qt=mtCpt（T1-T2）①

其中，Qt为单位时间内热流体放出的热量，kW； mt为热流体的质量流率，kg/s；Cpt为热流体的定压比热，kJ/kg-K，在实验温度范围内可视为常数；T1、T2为热流体的进出口温度，K或℃。

Qs=msCps（t1-t2）②

其中，Qs为单位时间内冷流体获得的热量，kJ/s=kW； 为冷流体的质量流率，kg/s： Cps为冷流体的定压比热，kJ/kgvK，在实验温度范围内可视为常数；t1、t2一冷流体的进出口温度，KS℃。

损失的热量为：

Q = Qt-Qs③

冷热流体间的温差是传热的驱动力，对于逆流传热，平均温差

tm=t1-t2/ln（t1/t2）④

其中：t1=T1-t2、t2=T2-t1

实验装置系统如图2.1所示。

（2）换热器管程和壳程压力降测定实验

通过测量管程流体的进口压力Pti、出口压力Pt2，便可以得到管程流体流经换热器的总压力损失Pt=Pt1Pt2；通过测量壳程流体的进口压力Ps1、出口压力Ps2，便可以得到壳程流体流经换热器的总压力损失Pt= Ps1Ps2。

（3）流体传热系数测定实验

换热器的传热速率Q可以表示为：

Q = KAtm⑤

其中，Q为单位时间传热量。W、 K为总传热系数，W/（m2*K）； A为传热面积， A= πdonL， m2， tm为平均温差，K或℃。

对于逆流传热，平均温差为：

tm=t1-t2/ln（t1/t2）⑥

其中：t1=T1-t2、t2=T2-t1， T1、T2为热流体的进出口温度，K或℃； t1、t2为冷流体的进出口温度，K或℃。

由公式⑤可得：K=Q/tm

Q可由热流体放出的热量或冷流体获得的热量进行计算，即：

Q1=mtCpt（T1-T2）或QS=mSCpS（t1-t2）

（4）流量计校正实验

孔板流量计的标定：测出对应流量q下的P，即可计算出流量系数Co

q=Co*Ao*p/p

文丘里流量计上游的测压口距管径开始收缩处的距离至少应为二分之一管径，下游测压口设在最小流通截面处。由于有渐缩段和渐扩段，流体在其内的流速改变平缓，祸流较少，喉管处增加的动能可与其后渐扩的过程中大部分转回成静压能，所以能量损失就比孔板大大减少。

其中，Cv为流量系数，无因次，其值可由实验测定或从仪表手册中查得；Pa-Pb为截面a与截面b间的压强差，单位为N/nf，其值大小由压差计读数R来确定；Ao为喉管的截面积，m2； P为被测流体的密度，kg/m3。

测出对应流量Vs下的P，即可计算出流量系数Cv。实验系统如图2.2所示。

2、过程装备控制技术及应用试验

（1）离心粟恒压力控制实验

此为单回路简单控制系统。安装在离心菜出口管路上压力传感器PT将离心栗出口压力转换成电压信号，经放大器放大后输出至工业调节器PC， PC将压力信号与压力给定值比较后，按PI调节规律输出4一20mA信号驱动变频调速器控制电机的转速，达到恒定离心栗出口压力的目的。

（2）离心栗恒流量控制实验

此为单回路简单控制系统，安装在离心粟出口管路上祸轮流量传感器TT将离心栗出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC， TC将流量信号与流量给定值比较后，按PID调节规律输出4一20mA信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心栗出口流量的目的。

（3）水箱液位控制实验

此实验采用的是单回路控制系统，它是由一个被控对象，一个检测元件及变送器，一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，也称反馈控制系统。设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量和操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行器，调节器以及控制规律等；最后将调节器的参数调到最佳值。

三、过程装备与控制工程实验系统的主要结构设计

1、支架

以前的实验装置大部分是安装在水泥台上，本次设计的实验系统安装在支架上，支架总体结构尺寸为4000X1800X700rnm，它由矩形冷弯空心型钢100X50X3min燥接而成，上面的横梁采用热乳不等边角钢80X50X6mm掉接而成，材料匀为碳素结构钢。

2、电机-多级离心栗

由于电机震动大，所以电机和与之相连的转速转矩测量仪、多级离心粟安装在水泥台上。这样支架结构就受到较小的震动，减轻了支架的负荷，保护了其他零部件。

3、换热器

换热器有很多种分类，但是常用的换热器按结构一般分为板片式换热器和管壳式换热器。板片式换热器是由板片和密封塾片构成，而管壳式换热器是由管子、壳体及管板组成的设备。这里我们主要介绍管壳式换热器。管壳式换热器又可以分为固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式换热器。

参考文献：

[1]宋鹏云，胡明辅，姚建国. 过程装备与控制工程和过程工程[J]. 化工高等教育，2004，02：79-82.

[2]周毅钧. 过程装备与控制工程专业人才培养模式的探讨[J]. 淮南职业技术学院学报，2008，02：19-21.

[3]李庆领，陈建国，周艳. “过程装备与控制工程”专业内涵探析[J]. 青岛科技大学学报（社会科学版），2009，02：105-107+119.