2021 流程行业自动化方向 决赛 赛题（高职组）6377112580338992775857487.pdf

“西门子杯”中国智能制造挑战赛

2021年“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

全国总决赛赛题（高职组）

“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.控制方案

工艺管道及仪表流程图（PID）如图2所示：

图2工艺管道及仪表流程图

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3.开车步骤

（1）初始化检查，工况处于开车前状态，确认所有阀门和泵都处于关闭状态。

（2）启动原料A输送泵P101，并打开原料A进料阀；启动原料B输送泵P102，并打开原料B进料

阀，原料A、B按照一定比例进入混合罐V101。

（3）混合罐V101达到一定的液位时，打开罐底阀门，混合原料（A+B）进入反应器R101，启动催

化剂输送泵P103，并打开催化剂C管线阀门，催化剂C与混合原料（A+B）按一定配比从反应器R101顶

部加入。

（4）当反应器R101达到一定液位时，打开反应器R101夹套加热蒸汽管线阀门及凝结水管线阀门，

夹套通入加热蒸汽使反应器物料升温诱发反应。