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2018年西门子杯-中国智能制造挑战赛-过程控制赛项-工程设计文件

2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛

（原全国大学生工业自动化挑战赛）

连续过程设计开发赛项

工程设计文件

参赛队伍编号：________________

2018年 07 月 01 日

一、方案设计依据、范围及相关标准

1.1、方案设计依据：

（1）2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛连续过程控制设计开发赛项样题、竞赛设备描述及竞赛规则；

（2）SMPT-1000及其PCS7控制；

（3）SIMATIC PCS7使用手册及产品目录；

1.2、方案设计范围：

本设计包括基于PID控制的物料输送控制系统、反映温度控制系统、反映体系压力与温度的检测与控制、反应物浓度的控制、闪蒸罐压强和液位的控制、冷凝罐温度的控制以及操作员监视控制系统的设计等等；

1.3、相关标准：

（1）GB/T 17213-2005 《工业过程控制阀术语和总则》

（2）GB 30439-2014 《工业自动化产品安全及要求》

（3）GB/T 19903-2008 《工业自动化系统与集成》

监控备用电源（4）HG 20559-1993 《管道仪表流程图设计规定》

（5）HG/T20636-1998《自控专业设计管理规定》

（6）HG/T 20638-2017 《自控专业工程设计文件深度的规定》工程车辆

（7）HG/T 20636-2017 《化工装置自控专业设计管理规范》

（8）HG/T 20639-2017 《自控专业工程设计用典型图表与标准目录》

（9）HG/T 20505-2000 《过程检测和控制系统文件代号和图形符号规范》

二、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全要求等）

植绒胶2.1控制需求分析

2.1.1进料流量及比例控制

反应所需的两种原料连续进料，要求控制系统克服每股进料的流量扰动。同时，为了获得较高的反应转化率，采用原料A过量的工艺。需要保证物料A、物料B与催化剂D以一定比例进料。A（进入混合罐的总流量含循环管线流量）、B、C进料比约为：9:3:1

2.1.2混合罐、反应器、闪蒸罐液位控制

反应器控制液位在保证系统稳定和安全的情况下应该处于较高液位，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。

snis872混合罐、闪蒸罐采用串级控制系统控制液位。

2.1.3反应器温度控制

该反应为强放热反应，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：

主反应： 2A + B —＞ D

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。反应器温度控制范围为20--110℃,物料A的沸点为65℃，为了保持反应器的压强稳定以及反应速率，将反应器温度控制在60℃。

2.1.4反应器、闪蒸罐压力安全控制

为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的设计。反应器：为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力合适。闪蒸罐：压力范围为20~120KPa，为了安全，要求闪蒸罐在系统开、停车全过程中压力合适。同时反应器及闪蒸罐的压力稳定在合适范围，以保持系统稳定。

如果反应器压力过高，立即加入抑制剂，有效保证系统安全。

2.1.5闪蒸罐底部出口物料产量浓度控制

提高闪蒸罐底部出口物料产量浓度则需提高闪蒸罐对物料A、B、C、D的闪蒸效果。

压力越低，沸点就越低。高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐，流体温度高于该压力下的沸点。流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离，使物料A从A+B+C+D+E的混合生成物液体中分离出来。

2.2对象特性分析

本项目控制对象是溶液。第一、在密闭的容器里温度越高，压强越大；第二、溶液有沸点，如果压强太低就无法升高温度。流体经过阀的流量：Q＝A*µ*（2*P/ρ）^0.5式中：Q—流量， A—阀开口面积，µ—流量系数，ρ—流体密度，P－通过阀的压强差由式子可知，各个阀的流量与蒸发器内的压强有关，蒸发器内压强越大，进口流量越小，出口流量越大。从式子可以看出，压强对流量的影响是非线性的，影响压强的因素有温度和体积。温升高不仅使气体热胀，压强升高，还会使物料加快蒸发，增加气体量。物料的改变也会改变气体的体积，同样也会改变压强。所以流体的流量间接的受到温度和液位的影响。所选对象是一个多输出、多干扰的非线性对象，且各个变量之间存在着密切的联系，一个变量的改变，可能使整个系统出现扰动。如果单独对一两个变量进行调定，会使系统增加扰动范围。

2.3工艺流程分析

被控对像为多功能过程控制系统（SMPT－1000）中的反应器单元，为连续反应系统。所选被控对象为过程工业常见的连续反应器。该反应过程在催化剂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：

主反应： 2A + B —＞ D

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。

原料A与原料B分别由原料A进料泵、原料B进料泵输送进入混合罐V101（立式圆罐）内混合，混合物料经预热器E101升温后，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从反应器顶部加入。在反应过程中，反应放热强烈，因此反应器R101采用夹套式水冷却。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。在反应器顶部设一路抑制剂，当反应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。冷却水吸收反应器的放热量形成热水，热水通往E101预热器对进料进行预热，以回收一部分热量，多余的热水通往公用工程。

反应器R101底部出口生成物含有产品D、杂质E，催化剂C两相流闸阀、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，将混合生成物（D+E+C+A+B）中过量的原料A调节板分离提纯。闪蒸罐V102顶部采出混合物（D+E+C+A+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底部的混合生成物（D+E+C+A+B）经输送泵加压，送到下游分离工序，进行提纯精制，以分离出产品D。

2.4系统安全要求分析

本次反应是主要危险地方在于反应器，物料A和物料B在在催化剂C的作用下在反应器发生强放热反应，且反映强烈，使反应器内部压强增高。通过温度检测装置，当反应温度高于所设定的警戒值时，对应的指示器变亮；同理，通过压力和液位检测装置，当这两者也高于所设定的警戒值时，各自对应的指示器变亮。当两个或两个以上的指示器亮起时，系统会发出警报声响。为了保证系统安全，防止反应器爆炸，反应器内的压力应当尽量低，但如果超过一定值时，系统则会加入抑制剂强制停止。保证反应器内压强在合适范围。液位不能不过高，否则会引起不必要的安全隐患，也不能过低，否则不利于热交换，反应效率也低。温度也不能过高，否则会带来不必要的安全隐患，也不能过低，否则会使反应效率过低。

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标签：反应反应器温度控制

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