高压反应器流量及压力控制.docx

实验一 高压反应器流量及压力控制一、实验目的1. 学习不锈钢高压管线的切割、弯曲、配管、连接和检漏等操作技能。2. 掌握不锈钢二通、三通、过滤器、单向阀的结构和原理。3. 了解稳压阀与背压阀控压原理与特点，学习两种控压阀的不同用法。4. 学习机械式安全阀、质量流量计、湿式流量计的原理和使用。5. 学习反应器的压力、流量的稳定控制和测量技术。二、实验原理本实验装置采用高强度铝合金框架，每台设备有两个操作平台，每个操作平台上有一条气体控制管路。装置包括相应的管件、阀件和稳压阀、背压阀、压力传感器、质量流量计、机械安全阀和相应的压力、流量控制仪表。反应器的流量、压力及温度控制是化工科研以及工厂生产过程中最常见的控制过程，在控制反应器压力稳定的同时，也需要稳定的控制反应器的流量，因此，如何同时控制几个参数都不变，并且互相没有影响，控制元件的选择和布置就很重要。本实验采用质量流量计控制反应器气体流量，采用稳压阀、背压阀控制反应器压力，并配有机械式安全阀保障设备安全。1. 实验流程装置的流程图如图1所示。气体经减压后进入进气阀BV-1，然后经微孔过滤器F-1后，进入稳压阀PRV-1，气源的压力由阀前压力表P-01显示，阀后压力由压力表P-02显示，稳压阀后的气体流量经质量流量计MFC-1控制后进入反应器。当反应开始进行时，气体进入到气体质量流量计MFC-1，并通过设定流量仪表的数值，来控制该流量计的流量，流量的真实值可以从仪表上读出。但需要注意的是，该读数是指该种气体在标准状态下的体积，而不是当前温度和压力下的体积流量，需要根据标准条件进行换算。同时如果不是氮气，还应该按照流量计说明书后面的气体表中的流量系数进行校正，具体方法可参见说明书。由流量计出来的气体经单向阀CV-1、截止阀BV-2进入到反应器，反应器入口压力由压力传感器P-03和压力表P-04显示，压力传感器显示压力可在仪表中读取。反应器出口安装机械式安全阀，当反应器超压时，可通过安全阀泄压，安全阀可调泄压压力范围为50300Psi。由反应器出来的气体经过滤器过滤微小固体颗粒后可直接通过针阀NV-1调节后放空，也可进入到背压阀BPRV-1排放，由湿式流量计计量后放空。图1 实验装置流程图2. 气体质量流量计工作原理质量流量计由流量传感器，分流器通道和流量放大电路等部件组成；在质量流量计基础上，再加上调节阀门和PID控制电路就构成了质量流量控制器。图2 7B型质量流量控制计结构示意图图3 质量流量控制器原理图流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量（无需温度压力补偿）。将传感器加热电桥测得的流量信号送入放大器放大, 放大后的流量检测电压与设定电压进行比较, 再将差值信号放大后去控制调节阀门，闭环控制流过通道的流量使之与设定的流量相等。分流器决定主通道的流量。本控制器与流量显示仪连接后的工作原理如图3所示。3. 稳压阀工作原理稳压阀的主要目的是控制当阀出口载气阻力发生变化时，保持出口压力的稳定。稳压阀的结构如图4所示。旋转调节手柄，即可通过弹簧将针阀2旋到一定的开度，当压力达到一定值时就处于平衡状态，当气体进口压力P1稍有增加时，P2处的压力也增加，波纹管就向右移动，并带动三根连动阀杆（图中只画出一根）也向右移动，使阀开度变小，使出口压力P3维持不变，反之亦然。图4 稳压阀原理图4. 背压阀工作原理背压阀用于在管路或是设备容器压力不稳的状态下，保持反应器内有一恒定压力。在要求不是很严格的系统中可作为安全阀使用。背压阀的工作原理如图4所示。背压阀通过内置弹簧的弹力来实现动作：当系统压力比设定压力小时，膜片在弹簧弹力的作用下堵塞管路；当系统压力比设定压力大时，膜片压缩弹簧，管路接通，流体通过背压阀。图4 背压阀工作原理图5. 安全阀工作原理安全阀是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门。安全阀的工作原理与背压阀类似。图5 质量流量计接线原理图6. 设备电路控制下图分别用方框的形式，简单介绍了质量流量计与压力传感器设备的控制原理，仪表和元件的互相动作方式。图6压力传感器接线原理图三、实验仪器及装置管路及管阀件：1/4”。不锈钢反应器：252.5，催化剂装量50 ml，使用温度：室温，使用压力：1 MPa。稳压阀：进口压力：3500 Psig，出口压力：503500 Psig背压阀：进口压力503500 Psig，出口压力：常压质量流量计：500 SCCM压力传感器：1.0 MPa表1 高压反应器流量及压力控制装置技术参数项目技术参数设备最高工作压力1 MPa气体最大流量500 SCCM额定电压220 V使用环境温度040 装置外形尺mm装置重量75 kg四、实验步骤（1） 取工具箱，并检查实验装置及工具箱内工具、配件是否齐全。查看工具箱内应有刻度尺一把、呆板手4把、过滤器一个、单向阀一个、切管器一个、弯管器一个、四氟密封带、三通等。（2）用直角尺测量所接管路的长度，用切管器、弯管器、适宜长度的金属管、卡套配接一段反应器出口处的管路。（3）系统检漏：打开进气阀，顺时针调大稳压阀至阀出口压力为0.5 MPa，调大背压阀至系统压力为0.4 MPa，进行检漏，在上步所装管路接口螺母处涂抹皂液，以无明显的皂沫鼓泡为合格。（4）系统气密性检验：关闭系统进气截止阀，待质量流量计读数不变后，每分钟记录一次稳压阀进口、出口压力，系统压力，反应器进口压力和质量流量计读数，记录10分钟，系统压力无明显降低，可认为气密性良好，进行下一步实验。（5）将系统压力调节到0.3 MPa后，质量流量计设定流量为0 SCCM，稳定30 s后，记录质量流量计的零点漂移读数。（6）质量流量计设定流量为100 SCCM，稳定30 s，读取一段时间内开始和结束时的系统压力、稳压阀进口压力、稳压阀出口压力、反应器进口压力、质量流量计读数，皂膜流量计测得的工况和标况下的气体流量（连续两次测量），记录一定体积的气体通过湿式流量计所需时间。（7）依次设定质量流量计为200、300、400、500、400、300、200、100、0 SCCM，重复步骤6进行实验。（8）关闭进气阀，待流量计读数为零时，再关闭质量流量计电源开关。缓慢调节稳压阀、背压阀，将反应器压力调节到常压，压力表和传感器读数为零，关闭总电源。五、实验数据记录及处理原始数据整理表如下表所示：表2-1 实验条件记录表实验名称高压反应器流量及压力控制实验人田贝倩同组人王馨逸实验日期2017.12.14实验时间13:00-16:30地点50B302实验人数2天气阴大气压/kPa102.95室温/16.0设备号4表2-2 实验仪器记录表仪表名称稳压阀进口压力表稳压阀出口压力表反应器进口压力表质量流量计湿式流量计皂膜流量计型号D07-7LML-1HY5020-2量程4 MPa1.6 MPa1.6 MPa500 SCCM20-2000 mL/min公司天津纽泰克自控仪表有限公司天津纽泰克自控仪表有限公司天津纽泰克自控仪表有限公司长春汽车滤清器有限责任公司表2-3密封实验原始数据记录表序号自然时间稳压阀进口压力/MPa稳压阀出口压力/MPa反应器进口压力/MPa质量流量计读数/SCCM系统压力/MPa114:430.380.380.37-1.00.374214:440.380.380.37-1.50.373314:450.380.380.37-1.50.372414:460.380.380.37-1.50.371514:470.380.380.37-1.50.371614:480.380.380.37-1.50.370714:490.380.380.37-1.50.370814:500.380.380.37-1.60.369914:510.380.380.37-1.40.3691014:520.380.380.37-1.40.369表2-4 恒定压力下流量计校正原始数据记录表时间设定流量/SCCM稳压阀进口压力/MPa稳压阀出口压力/MPa反应器进口压力/MPa系统压力/MPa质量流量计读数/SCCM皂膜流量计流量/（ml/min）湿式流量计流量/L测量时间段/s标况工况15:200.00.540.500.300.2790.315:32100.00.540.500.300.301100.8105.8110.9770.80094.6315:360.540.500.300.301100.8106.6110.9771.00015:37200.00.540.500.310.306201.0208.9217.5772.600103.2515:410.540.500.310.306201.1208.8217.5773.00015:41300.00.540.490.310.308301.4311.5324.5774.80065.0315:450.540.490.310.308301.4311.4324.4775.20015:45400.00.540.490.310.310401.6414.9432.3776.00080.3415:480.540.490.310.310401.8414.5431.9776.60015:48500.00.540.490.320.311502.0519.4541.2777.60084.4715:500.540.490.320.310502.0519.9541.7778.40015:50400.00.540.490.320.307401.8414.9432.3779.00080.3515:550.540.490.310.307401.8415.2432.6779.60015:55300.00.540.490.310.304301.5311.9325.0780.40071.4715:590.540.490.310.304301.4312.2325.3780.80015:59200.00.540.500.310.300201.2209.6218.4782.60099.6616:020.540.500.310.300201.1209.9218.7783.00016:03100.00.540.500.310.296100.8107.4111.9783.400.104.4316:060.540.500.310.296100.8107.4111.9783.60016:140.00.540.500.310.2760.31. 记录密封实验中，系统压力的变化，作图表示。图7 密封实验中系统压力变化图2. 记录在一个固定流量下，反应系统各个位置的压力值随时间的变化关系，作图表示。图8 反应系统各个位置的压力值随时间的变化图3. 记录在背压阀开度不变的情况下，反应器压力随流量的变化，作图表示。取流量从0 SCCM升到500.0 SCCM的六组数据作图如下：图9 反应器压力随流量的变化图六、实验结果及讨论1. 将密封试验中，系统压力的变化数值列表，计算出不同时间的压力下降速度。以第一分钟内的数据计算举例：第1分钟压力下降速度，同理计算其他组数据列于下表3：表3 密封实验中不同时间的压力下降速度表序号自然时间质量流量计读数/SCCM系统压力/MPa压力下降速度/(MPa/min)114:43-1.00.374214:44-1.50.3730.001314:45-1.50.3720.001414:46-1.50.3710.001514:47-1.50.3710614:48-1.50.3700.001714:49-1.50.3700814:50-1.60.3690.001914:51-1.40.36901014:52-1.40.36902. 将固定流量下，反应器压力传感器的数值、稳压阀前的压力表读数度、背压阀前的压力表读数三个数值列表，并计算不同位置压力的波动误差。讨论说明稳压阀与背压阀控压的特点与精度。未做压力控制实验，故采用密封试验中数据作表如下：表4 密封实验不同位置压力数值列表自然时间稳压阀进口压力/MPa反应器进口压力/MPa系统压力/MPa14:430.380.370.37414:440.380.370.37314:450.380.370.37214:460.380.370.37114:470.380.370.37114:480.380.370.37014:490.380.370.37014:500.380.370.36914:510.380.370.36914:520.380.370.369由于上表的系统压力是在等待流量读数稳定的过程中记录的，随后的5分钟内一直保持0.369 MPa，故可认为三处压力的波动误差为0。稳压阀是维持稳压阀出口压力的稳定，调节手柄时，压力变化迅速。背压阀用于管路或是设备容器压力不稳定的状态下，使反应器内有恒定压力，调压较慢。3. 讨论说明背压阀控压特点。背压阀是通过弹簧的弹力来工作的。当系统压力比设定压力小时，膜片在弹簧弹力的作用下堵塞管路；当系统压力比设定压力大时，膜片压缩弹簧，管路接通，流体通过背压阀。在管路或是设备容器压力不稳的状态下，背压阀能保持管路所需压力。4. 以皂沫流量计为基准流量，计算出在实验范围内，质量流量计的精度、湿式流量计的精度。 以第一组数据为例计算湿式流量计所示流量 同理计算得其他组，列于下表5：表5 流量计读数及误差表设定流量/SCCM绝对误差/SCCM质量流量计读数/SCCM皂膜流量计标况流量/（ml/min）皂膜流量计工况流量/（ml/min）湿式流量计流量/（ml/min）绝对误差/（ml/min100-5.7100.5106.2110.9126.815.9200-8.1200.8208.9217.5232.414.9300-10.4301.1311.5324.5369.144.7400-13.3401.4414.7432.1448.116.0500-18.0501.7519.7541.5568.226.8400-13.6401.5415.1432.544815.6300-10.9301.2312.1325.2335.810.7200-8.9200.9209.8218.6240.822.3100-6.9100.5107.4111.9114.93.0目前，国产仪表常用精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。质量流量计由表5可以看出，最大绝对误差max=-18.0 SCCM质量流量计的相对百分误差，其精度为4.0级。