CN109032199B - 一种低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法，对实验系统和压力缓冲系统的压力进行分别控制，避免压力控制系统频繁动作引起实验系统压力的波动，使实验系统工作压力更为稳定，同时由于压力缓冲系统的存在和压力可调，本发明提供的压力控制系统与实验系统结合实现不同水平压力汽液相平衡实验测量的连续操作。

Description

一种低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法
技术领域
本发明涉及石油、化学、冶金工业领域的实验数据测试领域，尤其涉及一种低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法。
背景技术
流体相平衡性质是工业过程的设计、操作、控制和优化不可或缺的基础物性，它决定着工艺过程模拟计算的正确性和精度，如在分离塔的计算中，精馏塔的理论板数、操作回流比等重要参数都和相平衡性质息息相关，而且精馏、萃取、吸收、浸取都是工业过程的基本单元操作，对其任何的研究均要基于相应系统的相平衡物性。
流体相平衡性质可以通过理论的热力学方法获得，如经验关联、活度系数、状态方程等方法。随着计算化学技术的进步，也已开发了相平衡性质的预测模型，如COSMO-RS、COSMO-SAC等。然而，虽然模型方法可以获得流体相平衡性质，但是其必须基于实验数据，否则就无法知晓模型方法是否正确，且很多模型方法中特征参数均通过回归实验数据获得，因此通过实验方法测量不同条件下真实的相平衡数据至关重要。
对流体相平衡性质的测量，根据不同实验方法或获得的数据类型，可将其分为静态法、循环方法或等温、等压平衡法等。流体相平衡发展至今，文献中已经公开了海量的实验数据，包括低压、常压和高压数据，尤其以常压数据最为广泛。对于低压系统(即实验系统内部压力低于大气压力)，则必须考虑如何恒定压力、如何采集样品、如何减小外界的扰动等问题，而稳定的控制系统压力则成为低压系统开发最首要问题，因为在相平衡中，平衡系统的压力和温度相互制约，压力的微小波动必然引起温度的波动，从而直接影响流体相平衡实验系统的稳定性和数据测量的准确性。为了能够通过实验方法获得准确的流体相平衡数据，尤其是汽液相平衡数据，需要对应实验装置设计有效的压力控制系统和压力控制方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种可提供稳定的压力源，提高实验和工业过程运行的稳定性和实验测量结果的准确性的一种低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低压相平衡实验装置的压力控制系统，用于调节控制实验系统的压力，所述实验系统顶部并联有测压口和实验系统出口，包括压力测量系统、压力缓冲系统和压力调节系统；所述压力缓冲系统包括稳压缓冲罐、真空组件、增压组件和放空组件，所述的稳压缓冲罐与实验系统出口经第一电磁阀和第二节流调节阀连接，所述的真空组件包括依次连接在稳压缓冲罐上对稳压缓冲罐内部进行降压的第一节流调节阀、第二电磁阀和真空泵，所述的稳压缓冲罐与第二电磁阀之间连接有与第一节流调节阀并联的阀门；所述的增压组件包括对稳压缓冲罐内部进行补压的依次连接的压力源、减压阀、第三电磁阀和第三节流调节阀，稳压缓冲罐连接在第三节流调节阀后；所述的放空组件包括连接在稳压缓冲罐顶部的放空口；所述的压力测量系统包括分别连接在测压口上和稳压缓冲罐上的压力传感器，所述压力传感器与压力调节系统连接；所述的压力调节系统包括电源、控制器、继电器和无线网络控制模块，所述电源与继电器线路连接，所述第一节流调节阀、第二节流调节阀、第三节流调节阀分别对应连接有继电器并由继电器控制开关；所述的控制器通过无线网络控制模块无线连接并控制压力测量系统和压力缓冲系统。
压力测量系统还包括数模转换块和压力数显表，所述压力传感器后依次连接有数模转换块和压力数显表，所述压力传感器检测的电流信号经数模转换块转换为数值信号并经压力数显表与压力调节系统连接。
压力传感器测量范围为绝压0kPa至100kPa。
稳压缓冲罐与实验系统主体容积之比范围为5:1至10:1。
真空泵极限压力小于等于10-3Pa。
电源电压设定为直流24V。
当稳压缓冲罐内压力大于设定值，则与真空泵相连的第二电磁阀打开进行抽气；反之则打开增压组件内的第三电磁阀对稳压缓冲罐进行补压。放空组件则用于实验结束时恢复系统至大气压。实验系统压力则通过稳压缓冲罐的压力进行间接控制。在此过程中，可通过无线网络控制模块，分别设定实验系统和稳压缓冲罐压力控制目标值，控制器根据压力传感器经数模转换后的信号与控制目标值进行比较，当稳压缓冲罐实际值低于目标值时，增压组件控制回路给出信号控制其对应继电器，继而打开第三电磁阀对稳压缓冲罐进行增压；当稳压缓冲罐实际值高于目标值时，真空组件控制回路给出信号打开真空管路第二电磁阀进行抽气；实验系统压力则通过压力调节系统控制其对应的第一电磁阀的开关。
一种低压相平衡实验装置的压力控制方法，包括如下控制方法：
A、检查各阀门和节流调节阀的阀位状态，关闭所有阀门，实验系统准备就绪，开始实验；
B、启动压力调节系统；
C、打开真空泵后逐渐打开阀门，对稳压缓冲罐抽真空；
D、待稳压缓冲罐压力接近压力目标值，缓慢打开第二节流调节阀，使实验系统内的压力与稳压缓冲罐内压力平衡；
E、待实验系统压力接近目标值(≤1kPa)后，关闭阀门后缓慢调节第一节流调节阀，使稳压缓冲罐压力缓慢变化，注意稳压缓冲罐上压力传感器的仪表显示；
F、稍增加第三节流调节阀的阀位，根据增压速率进行调节；
G、在自动控制系统的控制下，当稳压缓冲罐内压力大于设定值，第二电磁阀打开；当稳压缓冲罐内压力小于设定值，第二电磁阀关闭，第三电磁阀打开；当测压口压力传感器的压力超出目标值范围，即打开第一电磁阀；
H、根据系统运行情况，调节第一节流调节阀、第二节流调节阀、第三节流调节阀的开度，使系统压力保持稳定。
本发明的有益效果是，本发明提供的一种低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法，对实验系统和压力缓冲系统的压力进行分别控制，避免压力控制系统频繁动作引起实验系统压力的波动，使实验系统工作压力更为稳定，同时由于压力缓冲系统的存在和压力可调，本实验装置与实验系统结合实现不同水平压力汽液相平衡实验测量的连续操作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的控制系统流程图。
图2是本发明的控制系统逻辑示意图。
图3是本发明所测实验系统压力波动范围稳定在±30Pa之内的历史波动曲线。
图4是采用本发明所测纯物质饱和蒸气压和文献值对比。
图5是采用本发明所测二元混合物汽液平衡数据和文献值对比。
图中1、稳压缓冲罐 2、实验系统出口 3-1、第一电磁阀 3-2、第二电磁阀 3-3、第三电磁阀 4-1、第一节流调节阀 4-2、第二节流调节阀 4-3、第三节流调节阀 4-4、阀门 5、真空泵 6、压力源 7、减压阀 8、放空口 9、压力传感器 10、测压口。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1和图2所示的一种低压相平衡实验装置的压力控制系统，是本发明最优实施例，用于调节控制实验系统的压力，所述实验系统顶部并联有测压口10和实验系统出口2，包括压力测量系统、压力缓冲系统和压力调节系统。
所述压力缓冲系统包括稳压缓冲罐1、真空组件、增压组件和放空组件。稳压缓冲罐1与实验系统主体容积之比范围为5:1至10:1，稳压缓冲罐1为不锈钢材质制成的316L的缓冲罐。
所述的稳压缓冲罐1与实验系统出口2经第一电磁阀3-1和第二节流调节阀4-2连接，所述的真空组件包括依次连接在稳压缓冲罐1上对稳压缓冲罐1内部进行降压的第一节流调节阀4-1、第二电磁阀3-2和真空泵5，真空泵5极限压力小于等于10-3Pa。所述的稳压缓冲罐1与第二电磁阀3-2之间连接有与第一节流调节阀4-1并联的阀门4-4；所述的增压组件包括对稳压缓冲罐1内部进行补压的依次连接的压力源6、减压阀7、第三电磁阀3-3和第三节流调节阀4-3，稳压缓冲罐1连接在第三节流调节阀4-3后；所述的放空组件包括连接在稳压缓冲罐1顶部的放空口8。压力源6可优选为空气源或者氮气源，空气源或氮气源由外部引入。
所述的压力测量系统包括分别连接在测压口10上和稳压缓冲罐1上的压力传感器9，所述压力传感器9与压力调节系统连接；压力传感器9测量范围为绝压0kPa至100kPa。
所述的压力调节系统包括电源、控制器、继电器和无线网络控制模块，所述电源与继电器线路连接，所述第一节流调节阀4-1、第二节流调节阀4-2、第三节流调节阀4-3分别对应连接有继电器并由继电器控制开关；所述的控制器通过无线网络控制模块无线连接并控制压力测量系统和压力缓冲系统。电源电压设定为直流24V。
压力测量系统还包括数模转换块和压力数显表，所述压力传感器9后依次连接有数模转换块和压力数显表，所述压力传感器9检测的电流信号经数模转换块转换为数值信号并经压力数显表的485接口与压力调节系统连接。
第一节流调节阀4-1、第二节流调节阀4-2和第三节流调节阀4-3均为微型针型调节阀。
当稳压缓冲罐1内压力大于设定值，则与真空泵5相连的第二电磁阀3-2打开进行抽气；反之则打开增压组件内的第三电磁阀3-3对稳压缓冲罐1进行补压。放空组件则用于实验结束时恢复系统至大气压。实验系统压力则通过稳压缓冲罐1的压力进行间接控制。在此过程中，可通过无线网络控制模块，分别设定实验系统和稳压缓冲罐1压力控制目标值，控制器根据压力传感器9经数模转换后的信号与控制目标值进行比较，当稳压缓冲罐1实际值低于目标值时，增压组件控制回路给出信号控制其对应继电器，继而打开第三电磁阀3-3对稳压缓冲罐1进行增压；当稳压缓冲罐1实际值高于目标值时，真空组件控制回路给出信号打开真空管路第二电磁阀3-2进行抽气；实验系统压力则通过压力调节系统控制其对应的第一电磁阀3-1的开关。
对应上述压力控制系统，具有如下的控制方法：
A、检查各阀门和节流调节阀的阀位状态，关闭所有阀门，实验系统准备就绪，开始实验；
B、启动压力调节系统；
C、打开真空泵5后逐渐打开阀门4-4，对稳压缓冲罐1抽真空；
D、待稳压缓冲罐1压力接近压力目标值，缓慢打开第二节流调节阀4-2，使实验系统内的压力与稳压缓冲罐1内压力平衡；
E、待实验系统压力接近目标值(≤1kPa)后，关闭阀门4-4后缓慢调节第一节流调节阀4-1，使稳压缓冲罐1压力缓慢变化，注意稳压缓冲罐1上压力传感器9的仪表显示；
F、稍增加第三节流调节阀4-3的阀位，根据增压速率进行调节；
G、在自动控制系统的控制下，当稳压缓冲罐1内压力大于设定值，第二电磁阀3-2打开；当稳压缓冲罐1内压力小于设定值，第二电磁阀3-2关闭，第三电磁阀3-3打开；当测压口10压力传感器9的压力超出目标值范围，即打开第一电磁阀3-1；
H、根据系统运行情况，调节第一节流调节阀4-1、第二节流调节阀4-2、第三节流调节阀4-3的开度，使系统压力保持稳定。
采用上述的低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法，控制镇流系统压力波动范围稳定在±30Pa之内，历史波动曲线如图3所示。实验测得乙醇和水饱和蒸气压数据与文献值对比结果绘于图4中，两者保持一致。
采用上述的低压相平衡实验装置的压力控制系统及压力控制方法，测定了四氯乙烯和1-丁醇二元混合物在绝对压力为6kPa时的汽液平衡，结果示于图5中，所测混合物物的饱和温度及组成分布与文献值吻合。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种低压相平衡实验装置压力控制系统的压力控制方法，用于调节控制实验系统的压力，实验系统顶部并联有测压口（10）和实验系统出口（2），其特征在于：压力控制系统包括压力测量系统、压力缓冲系统和压力调节系统；所述压力缓冲系统包括稳压缓冲罐（1）、真空组件、增压组件和放空组件，所述的稳压缓冲罐（1）与实验系统出口（2）经第一电磁阀（3-1）和第二节流调节阀（4-2）连接，所述的真空组件包括依次连接在稳压缓冲罐（1）上对稳压缓冲罐（1）内部进行降压的第一节流调节阀（4-1）、第二电磁阀（3-2）和真空泵（5），所述的稳压缓冲罐（1）与第二电磁阀（3-2）之间连接有与第一节流调节阀（4-1）并联的阀门（4-4）；所述的增压组件包括对稳压缓冲罐（1）内部进行补压的依次连接的压力源（6）、减压阀（7）、第三电磁阀（3-3）和第三节流调节阀（4-3），稳压缓冲罐（1）连接在第三节流调节阀（4-3）后；所述的放空组件包括连接在稳压缓冲罐（1）顶部的放空口（8）；所述的压力测量系统包括分别连接在测压口（10）上和稳压缓冲罐（1）上的压力传感器（9），所述压力传感器（9）与压力调节系统连接；所述的压力调节系统包括电源、控制器、继电器和无线网络控制模块，所述电源与继电器线路连接，所述第一节流调节阀（4-1）、第二节流调节阀（4-2）、第三节流调节阀（4-3）分别对应连接有继电器并由继电器控制开关；所述的控制器通过无线网络控制模块无线连接并控制压力测量系统和压力缓冲系统；所述的压力测量系统还包括数模转换块和压力数显表，所述压力传感器（9）后依次连接有数模转换块和压力数显表，所述压力传感器（9）检测的电流信号经数模转换块转换为数值信号并经压力数显表与压力调节系统连接；
上述压力控制系统包括如下控制方法：
A、检查各阀门和节流调节阀的阀位状态，关闭所有阀门，实验系统准备就绪，开始实验；
B、启动压力调节系统；
C、打开真空泵（5）后逐渐打开阀门，对稳压缓冲罐（1）抽真空；
D、待稳压缓冲罐（1）压力接近压力目标值，缓慢打开第二节流调节阀（4-2），使实验系统内的压力与稳压缓冲罐（1）内压力平衡；
E、待实验系统压力接近目标值（≤1kPa）后，关闭阀门后缓慢调节第一节流调节阀（4-1），使稳压缓冲罐（1）压力缓慢变化，注意稳压缓冲罐（1）上压力传感器（9）的仪表显示；
F、稍增加第三节流调节阀（4-3）的阀位，根据增压速率进行调节；
G、在自动控制系统的控制下，当稳压缓冲罐（1）内压力大于设定值，第二电磁阀（3-2）打开；当稳压缓冲罐（1）内压力小于设定值，第二电磁阀（3-2）关闭，第三电磁阀（3-3）打开；当测压口（10）压力传感器（9）的压力超出目标值范围，即打开第一电磁阀（3-1）；
H、根据系统运行情况，调节第一节流调节阀（4-1）、第二节流调节阀（4-2）、第三节流调节阀（4-3）的开度，使系统压力保持稳定。
2.如权利要求1所述的一种低压相平衡实验装置压力控制系统的压力控制方法，其特征在于：所述的压力传感器（9）测量范围为绝压0kPa至100kPa。
3.如权利要求1所述的一种低压相平衡实验装置压力控制系统的压力控制方法，其特征在于：所述的稳压缓冲罐（1）与实验系统主体容积之比范围为5:1至10:1。
4.如权利要求1所述的一种低压相平衡实验装置压力控制系统的压力控制方法，其特征在于：所述的真空泵（5）极限压力小于等于10-3Pa。
5.如权利要求1所述的一种低压相平衡实验装置压力控制系统的压力控制方法，其特征在于：所述的电源电压设定为直流24V。
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