2021 流程行业自动化方向 决赛 样题（本科组）6376929979157274335492479.pdf

“西门子杯”中国智能制造挑战赛

“西门子杯”中国智能制造挑战赛

智能制造工程设计与应用类赛项：流程行业自动化方向

全国总决赛样题（本科组）

“西门子杯”中国智能制造挑战赛

题目：放热反应器控制系统设计与开发

根据下图所示的放热反应器工艺流程，通过分析工艺过程和对象特性，设计一套放热反应器控制系

统，并通过现场实施（使用SIMATICPCS7过程控制系统）、调试、优化等，将系统成功投入运行，达

到控制目标。

1.工艺过程

某放热反应器的工艺过程如下图所示：

图1反应器工艺流程简图

该放热反应过程在催化剂C的作用下，原料A与原料B反应生成主产物D和副产物E，反应方程式

如下：

C

主反应：2ABD

C

副反应：ABE

其中，主生成物D是所需产品，副生成物E是杂质，主、副反应均为强放热反应。为了获得较高的反应

转化率，采用原料A过量的工艺。

原料A与原料B分别由原料A进料泵P101、原料B进料泵P102输送进入混合罐V101（立式罐）内

混合，混合物料进入放热反应器R101进行反应，反应所需的催化剂C，由催化剂C输送泵P103从反应器

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顶部加入。为了诱发反应达到活化温度，在反应初始阶段，反应器R101采用夹套蒸汽对反应物料进行加

热。上述反应为强放热过程，反应器R101采用内盘管式水冷却，将反应放出的热量移除，维持反应器温

度稳定，避免造成超温超压等安全事故。反应转化率与反应温度、停留时间、反应物料浓度及混合配比

有关，反应体系气相压力对温度敏感，在冷却失效产生的高温条件下，过高的气相压力使反应器有爆炸

的风险。在反应器顶部设置一路抑制剂，当反应温度或压力过高危及安全时，通入抑制剂F，使催化剂C

迅速中毒失活，从而中止反应。

反应器R101底部出口的反应生成液含有产品D、杂质E，催化剂C、以及未反应的原料A和少量原

料B，为了回收原料A，在反应器下游设置闪蒸罐V102，将反应生成液（D+E+C+A+B）中过量的原料A

分离提纯。闪蒸罐V102顶部采出混合物（原料A、少量D+E+C+B）为气相，首先进入冷凝器E102与冷

却水进行换热冷凝，冷凝后的混合物进入冷凝罐V103，通过循环泵P106再送入混合罐V101循环利用。

闪蒸罐V102底部的产品D混合物（D+E+C+A+B）经输送泵P105加压，送到下游分离工序，进行提纯精

制，以分离出产品D。

2.甲方需求

（1）关键工艺参数达到相关控制要求。

（2）不能出安全事故

（3）生产原料、公用工程消耗以及产品，分别计价，最终收益（收益＝产品总价－生产原料和公

用工程消耗的总价）越多越好。各物料市场价格在比赛现场随正式赛题发布。

3.比赛任务

1）硬件连接

将PCS7远程IO中的AI模块与SMPT-1000的仪表测量输出模块进行连接（连接1路信号），确保

通讯正常。

2）系统实现

针对以上工艺过程，参赛选手需要完成系统分析、系统设计和现场实施等环节，包括开车方案设

计、控制回路设计、控制算法设计、WINCC画面组态、系统调试与故障排除，以及从冷态到稳态的自动

开车操作、开车结束后系统投入自动运行和系统抗扰动测试（如提升负荷）等。

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附录1工艺参数、设备数据及物性数据

1.1工艺参数