高压反应器流量及压力控制

1、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、皂膜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、 实验仪器及装置管路及管阀件：6mm不锈钢反应器：ø25×2.5，催化剂装量 50ml，使用温度：室温，使用压力：1 MPa。稳压阀：进口压力：3500Psig，出口压力：503500Psig背压阀：进口压力 503500Psig，出口压力：常压质量流量

2、计：500SCCM压力传感器：1.0MPa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 °C装置外形尺寸1400×800×1600 mm装置重量75 kg三、 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，

3、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

4、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

5、背压阀 BPRV-1 排放，由湿式流量计计量后放空。图 1 高压反应器流量及压力控制装置流程图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 型质量流量控制器结构图 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

6、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 P 1 稍有增加时，P 2 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 P 3 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

7、。背压阀的工作原理如图 5 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 5 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。6. 设备电路控制 图 6 图 7 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 质量流量计接线原理图图 7 压力传感器接线

8、原理图7. 仪表的设定 质量流量计的工作压差范围为 0.10.25 MPa，流量范围为 10500 SCCM，控制仪表采用 AI-719 型人工智能调节器。压力变送器仪表采用 AI -708 型人工智能调节器。 每块仪表，均可以按照下面的步骤设定数值，可参见“ 仪表使用说明书”。 仪表有上下两个显示窗口上面的一个是仪表实际测量的值，如流量，下面一个窗口是要求控制的数值，也就是设定值。在正常使用时，一般就是改变设定值。 按住仪表的上“”、下“”光标键，可以看到仪表显示窗内的数值在增加或减小。当仪表读数达到需设定值时，停止按仪表键即完成操作，数秒后仪表将自动工作。 为了防止别人修改仪表的控制参数，

9、仪表有加锁功能，用“LOC”参数表示密码锁。 按住“Q”，可以看到不同的仪表参数，当出现“LOC”时，停止按“Q”键。此时，按住仪表的上“”、下“”光标键，将数字改成 808 以外的任何数字，等仪表自动返回到正常显示状态，以后，就只能从仪表面板修改控制温度、温度报警和控制偏差等数值了，而不能修改仪表内部的各种控制参数，只有把“LOC”参数重新改成 808 后，按住“Q”才能显示其他的控制参数并修改。本装置仪表参数设置如表 2 和表 3 所示。表 2 压力仪表（708 型）参数设置及含义仪表参数参数值参数含义Sn33 选择 1-5 V 线性电压输入dIP3 小数点位置设置，采用 0.000 格式

10、dIL0.000确定输入下限 1 V 时压力显示值dIH 1.000确定输入上限为 5 V 时压力显示值表 3 流量控制仪表（719 型）参数设置及含义仪表参数参数值参数含义CtrLSOP控制方式设置InP34输入规格代码。34 表示 05 V 电压输入dPt 0.0小数点位置OPt0-20主输出类型。020 mA 线性电流输出AF32高级功能代码SCH500信号刻度上限四、实验步骤1. 观察实验装置，检查外观是否完好，配件是否齐全。查看配件箱内应有呆板手几把、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. 将一个过滤器、单向阀拆卸开，学习他们的结构和安装，分别打开用

11、吸耳球吹扫内部的灰尘，然后再把过滤器和单向阀装回到管路中的正确位置。3. 测量稳压阀进口处的管路的弯度及长度，在6mm金属管上划线标记，用切管器、弯管器，配接一段稳压阀进口处的管路。连接完成后，检漏（配备肥皂水，在接口处涂抹少量肥皂水，打开球阀，观察是否有气泡，无气泡说明装置密封）。4. 密封实验：调节稳压阀，是稳压阀出口压力在0.3-0.4MPa，调节背压阀，使系统压力到0.2MPa，对装置全流程进行检漏，每1分钟，记录稳压阀进口，稳压阀出口，背压阀进口及系统压力，持续10分钟，停止实验。5. 压力控制实验：在气体流量为150SCCM之间，然后将反应器压力调节到0.2MPa。每2分钟，记录稳

12、压阀进口、出口压力，背压阀进口压力，系统压力，持续20分钟后，停止实验。6.将反应器压力调节到0.3MPa，设定反应器进口流量为150SCCM，每3分钟分别记录质量流量计、湿式气体流量计、皂沫流量计的度数，连续记录6个点后，停止实验。7. 关闭进气，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1. 记录密封试验中，系统压力的变化，作图表示。实验记录：T:293K P:100.27kPa 单位：MPa时间稳压阀进口压力稳压阀出口压力背压阀进口压力系统压力15：100.20.190.200.

13、19415：110.20.190.180.18415：120.20.170.180.18115：130.20.160.180.18015：140.20.140.170.18015：150.20.140.170.17915：160.20.140.170.17915：170.20.130.170.17915：180.20.120.170.17915：190.20.120.170.179数据处理 由图可以看出，系统压力先下降，然后保持不变。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。 实验记录 T:293K P:100.27kPa 时间稳压阀进口压力（MPa）稳压

14、阀出口压力（MPa）背压阀进口压力（MPa）系统压力（MPa）气体流量（SCCM）3:270.50.300.200.202151.03:290.50.300.200.202151.03:310.50.300.200.202151.03:330.50.300.200.202151.03:350.50.300.200.202151.03:370.50.300.200.202151.03:390.50.300.200.202151.03:410.50.300.200.202151.03:430.50.300.200.202151.03:450.50.300.200.202151.0数据处理 在系统流

15、量保持不变的情况下，系统各部分压力保持稳定。3. 记录在一个恒定压力下，反应器流量值随时间的变化关系，作图表示。 实验记录 T:293K P:100.27kPa时间湿式气体流量计（L）质量流量计(SCCM)皂沫流量计(mL/min)工况标况4:08129.00 151.0 168.9154.94:11129.44 151.0 4:14129.84 151.0 167.3153.54:17130.54 151.0 4:20131.12 151.0 4:23131.52 151.0 数据处理 质量流量计是151.0SCCM，对应皂沫流量计的标况读数q1=154.2SCCM相对误差为E=0.0207

16、5湿式气体流量计：q=(t2-t1)/ 所以q1=(129.44-129.00)×1000/3=146.67mL/min同上q2=133.33mL/min q3=233.33mL/min q3=192.33mL/min q4=133.33mL/min 所以Q1=168.00mL/min皂沫流量计的工况读数均值为Q2=168.1mL/min，相对误差为E=0.00059488在误差允许范围内，质量流量计与湿式气体流量计读数较准确。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。 v=-(t1-t2)/ 第1min内，v1=(0.194-0.1

17、84)/1=0.01MPa/min 第2min内,v2=(0.184-0.181)/1=0.003MPa/min 第3min内,v3=(0.181-0.180)/1=0.003MPa/min 同理可得： v4=0MPa/min, v5=0.001MPa/min, v6=0MPa/min, v7=0MPa/min, v8=0MPa/min, v9=0MPa/min v10=0MPa/min2. 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。稳压阀进口压（MPa）0.50.50.

18、50.50.50.50.50.50.50.5背压阀进口压（MPa）0.20.20.20.20.20.20.20.20.20.2系统压力（MPa）0.2020.2020.2020.2020.2020.2020.2020.2020.2020.202 将流量设定为150SCCM，实际流量为151.0SCCM，在20min内，三个压力值均没有变化。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，精度0.5MPa；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，精度0.05MPa。3. 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

19、度。质量流量计是151.0SCCM，对应皂沫流量计的标况读数q1=154.2SCCM因此E=（154.2-151.0）/154.2=0.02075湿式气体流量计：q=(t2-t1)/ 所以q1=(129.44-129.00)×1000/3=146.67mL/min同上q2=133.33mL/min q3=233.33mL/min q3=192.33mL/min q4=133.33mL/min 所以Q1=168.00mL/min皂沫流量计的工况读数均值为Q2=168.1mL/min，精度E=（168.1-168.00）/168.1=0.000594884. 讨论说明质量流量计的流量控制特点。 流体的质量不随时间、空间温度、压力的变化而变化，所以不会因为气体温度、压力的变化从而影响到测量的结果，因此质量流量计流量控制较为准确、快速、稳定。七、实验问题思考与解决方法1. 一个固定容器的压力控制有哪些方法？ 压力控制阀：稳压阀，背压阀，溢流阀等；旁路压力控制法2. 不同气体可以用同一质量流量计控制流量吗？需要注意哪些内容？ 可以，要进行气体流量的