過控專業“五位一體”特色實驗系統研制與探討

姜文全,昝靜一,楊 帆,任建民

(遼寧石油化工大學 機械工程學院,遼寧 撫順 113001)

隨著世界經濟全球化和工程技術人才國際化的發展趨勢,高校人才培養逐步轉向國際通用的工程教育認證模式[1-4]。我校過程裝備與控制工程專業在長期面向石油化工行業和地方辦學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面臨中國工程教育專業認證的任務,傳統的實驗室已不能滿足“專業認證”中所提出的設計型、創新型、綜合型實驗教學及針對復雜工程問題的解決等功能實驗、實踐要求[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驗系統,為培養學生的自主創新、獨立設計及解決復雜工程問題等能力奠定基礎。

1 實驗系統設計

基于石化特色的“五位一體”過控專業實驗系統是以過程裝備與控制工程專業的石油化工特色的課程體系為載體,本著“獨立綜合、拓展創新”的原則,構建離心泵實驗模塊、管路特性實驗模塊、換熱器實驗模塊、塔設備實驗模塊及反應設備實驗模塊5部分,即為“五位”；各模塊有序結合形成綜合實驗系統,即成“一體”。過控專業“五位一體”特色實驗系統總圖見圖1。

圖1 過控專業“五位一體”特色實驗系統總圖

1.1 離心泵實驗模塊

離心泵實驗模塊(見圖2)主要包括離心泵、水罐、真空表、壓力表、功率表、流量計、液位計、變頻器、調節閥和手動閥。離心水泵P101A、P101B從水罐抽水,根據實驗需求調節串并聯切換閥,出水經回流管返回水罐,測量穩定狀態下泵的出口壓力與流量實驗數據，并與單臺泵的實驗數據進行對比分析,完成離心泵串、并聯實驗。

圖2 離心泵實驗模塊

1.2 管路特性實驗模塊

管路特性實驗模塊(見圖3)主要包括離心泵、風機、水罐、緩沖罐、光滑管、粗糙管、文丘里管、閘閥。離心泵抽取水罐內的水,經調節閥控制流量后分別進入各實驗管道,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驗。

1.3 反應設備實驗模塊

反應設備實驗模塊(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經離心水泵P101A和乙醇泵P102輸送至攪拌釜R101或靜態混合器R102,混合后的混合物排放至混合罐V106。攪拌釜內乙醇水混合物利用夾套內蒸汽加熱至實驗溫度、壓力后,經減壓閥進入閃蒸槽。閃蒸槽上部出來的蒸氣經閃蒸冷凝器冷凝,冷凝液返回乙醇罐。

圖3 管路特性實驗模塊

圖4 反應設備實驗模塊

1.4 換熱器實驗模塊

換熱器實驗模塊(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、蒸汽發生器、離心泵等設備。熱介質由蒸汽發生器或其他模塊提供,冷介質為冷卻水。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,可實現外接換熱設備的性能測試及分析。

圖5 換熱器實驗模塊

1.5 塔設備實驗模塊

塔設備實驗模塊(見圖6)分為精餾段和吸收段兩部分組成。精餾段設備主要包括離心泵、蒸汽發生器、換熱器、再沸器、涼水塔、冷卻水泵、板式精餾塔、回流罐、填料精餾塔等設備。混合罐V106內約20%的水-乙醇混合液,經精餾塔進料泵P201后輸送至進料預熱器E202,預熱后經閥門切換,由精餾塔中部進入板式精餾塔T201或填料精餾塔T202進行分離。氣相由塔頂餾出,經塔頂冷凝器E206或E207冷卻后進入回流罐V201或V202,經回流泵P203或P204,一部分送至精餾塔上部第一塊塔板作回流，另一部分送至產品罐V203作為產品采出。塔釜殘液經塔底殘液冷卻器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、緩沖罐、涼水塔、水箱、離心泵等設備。本實驗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 開設實驗

2.1 課程實驗

為滿足工程教育實踐教學的要求,過控專業“五位一體”實驗系統的5個實驗模塊圍繞工程流體力學、工程熱力學、過程原理與設備、過程裝備控制技術、過程裝備測試技術、過程流體機械、過程設備設計等課程,共開設19項獨立的課程實驗(見表1)。這些實驗有助于學生充分理解課程知識,并提高學生實踐能力。

圖6 塔設備實驗模塊

表1 過控專業“五位一體”實驗系統中課程實驗

2.2 特色綜合實驗

特色綜合實驗見表2。離心泵模塊方案三選一、管路模塊方案三選一、反應釜模塊方案二選一、換熱器模塊實驗方案十六選一、精餾塔方案二選一、吸收塔方案二選一,可組成432種不同的實驗方案。綜合實驗流程為離心泵輸送乙醇水溶液,通過選取的管路進入到反應釜中實現兩類操作:(1)乙醇水溶液與水混合稀釋(稀釋后乙醇濃度為20%),混合液經加熱后進入精餾塔進行精餾,精餾尾氣再經吸收塔吸收；(2)乙醇水溶液與熱蒸氣進行閃蒸,乙醇蒸汽經冷凝器冷凝回收,尾氣進入吸收塔吸收。針對特色綜合實驗,本專業新增一門24學時、1學分的“過程裝備綜合實驗課程”,該課程為必修課程。同時,本實驗系統的工藝流程、設備結構認識、運行操作等環節有效地支撐過程設備設計課程設計、過程原理與設備課程設計、認識實習、生產實習及畢業設計等實踐課程。

2.3 創新拓展實驗

(1) 離心泵汽蝕和氣敷影響因素實驗。汽蝕和氣敷對離心泵的正常運轉危害很大,必須設法避免,通過實驗手段研究汽蝕和氣敷的成因及主要影響因素[8-9],可為發展汽蝕和氣敷預防技術提供直接參考。本實驗系統中的離心泵性能實驗模塊可分別拓展開設汽蝕特性實驗和氣敷實驗,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 特色綜合實驗

(2) 混合過程強化實驗。強化混合單元操作是過程工業節能增效的重要一環[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中分散均勻,是許多工業生產過程提出的共性要求。本實驗系統中的反應器實驗模塊可拓展開設不相混溶的兩種流體的混合過程強化實驗,又可進行添加劑在主流介質中分散混合過程強化實驗。

(3) 新型換熱元件強化傳熱效果實驗。熱交換過程在工業生產中無處不在,傳熱過程強化長久以來一直是研究熱點[11-12]。開發新型換熱元件并將其用于工業生產,是傳熱過程強化技術研究的主要目的之一。本實驗系統中的換熱器性能綜合實驗模塊通過預留接口,可進行新型換熱元件強化傳熱效果測定實驗。

3 學生能力培養

本實驗系統圍繞離心泵、管路、反應釜、換熱器、塔器5類典型的化工裝置,搭建了介質輸送、換熱、混合、分離、精餾、吸收等單元操作實驗模塊。開設19項課內實驗項目,各實驗項目從不同角度測定離心泵、管路、反應釜、換熱器、塔器在過程工業生產中的狀態特性。使學生對課程中相關機械、設備及元件的工作特性形成初步認識,培養學生工程意識,提高學生工程實踐能力,為學生識別、界定過程裝備領域復雜工程問題奠定基礎。同時,本實驗系統可實現學生自主設計實驗組合方案,建立介質的輸送、換熱、混合、閃蒸、精餾到尾氣吸收的整套工藝過程,加深學生對過程工業生產的認識,培養學生工程綜合設計能力。本實驗系統預留了多個外接設備接口,學生可依托專業教師的科研課題,開展創新型實驗,如泵的汽蝕、氣敷實驗、混合強化實驗、新型換熱實驗等,實驗參數、過程及處理分析均由學生自行完成,實驗成果可用于實踐創新大賽、創新創業項目等活動,培養學生自主創新能力。

4 結論

通過研制“過程裝備與控制工程專業“五位一體”特色實驗系統”,極大地改善了本專業的實驗教學環境,該實驗系統中的5個模塊可獨立、可綜合、可外接,為本專業學生的綜合設計、自主創新等能力的培養提供了特色鮮明的實驗平臺。同時,本實驗系統還可服務于機械工程學院安全工程、機械工程及自動化、測控技術與儀器等多個專業實踐教學環節。

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