间歇反应控制系统设计方案.PDF

编号：03 西门子杯全国大学生控制技能仿真挑战赛 间歇反应控制系统设计方案 2007年6月 西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛设计方案 目 录 一、被控对象工艺流程概述 1 二、控制系统设计要求 2 三、解决方案 2 3.1 反应升温速度控制 2 3.2 反应保温温度控制 8 3.3 主产物产率控制 10 3.4 反应器压力安全控制 11 3.5 顺序控制方案设计 15 四、设备使用方案 16 4.1 系统配置方案 16 4.2 软件配置 18 4.3 I/O模块接线图 18 参考文献22 附 录23 一、被控对象工艺流程概述 被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器系统，属于间歇反应过程。其 工艺流程图如图 1.1 所示： 图 1.1 间歇反应工艺流程图 工艺设备包括：两台高位计量罐，其中 A 物料计量罐液位 L2 ，入口阀V3 ， 出口阀V4 ，A 物料泵及泵电机开关 S4；B 物料计量罐液位 L3 ，入口阀 V2 ，出 口阀V5 ，B 物料泵及泵电机开关 S2。C 物料下料流量 F6 ，C 物料下料阀 V6 。 带搅拌器的釜式反应器，反应器内主产物浓度 A ，反应温度 T1，液位L4 ，反应 物出口流量 F9 ，出口阀V9 ，出口泵及出口泵开关 S5 （开关）。反应器蛇管冷却 水入口流量 F7 ，蛇管冷却水阀V7 ；反应器夹套冷却水入口流量F8 ，夹套冷却水 阀V8 ；反应器夹套加热蒸汽阀 S6 （开关）。反应器放空阀V5 ，反应器搅拌电机 西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛设计方案 开关 S8，高压冷却水阀V10 。 二、控制系统设计要求 1. 反应升温速度控制 在缩合反应阶段，由冷态常温逐渐诱发反应至温度达到 121℃左右。在此阶 段要求选手设计控制系统，保证温度以 0.1~0.2℃/s 的速率上升。 本间歇反应过程中有主副反应的竞争，主反应的活化能较高，期望较高的反 应温度。加热速率过慢会使反应停留在低温区，副反应会加强，影响主产物产率。 因此提高反应温度有利于主反应的进行。但加热速率过猛会使反应后续的剧烈阶 段失控而产生超压事故。 反应釜温度和压力是确保反应安全的关键参数，所以必须根据温度和压力的 变化来控制反应的速率。 2. 反应保温温度控制 经过缩合反应后，在反应保温阶段要使反应釜温度始终保持在 120℃左右 5~10 分钟（实际为 2~3 小时），以使反应尽可能充分地进行，达到尽可能高的主 产物产率。 3. 主产物产率控制 为得到一定的转化率的产品，要求选手对反应器最终产物的产率进行控制。 注意，产率无法在线采集。 反应主产物 D 的产率主要受到升温速度、保温时间与温度的影响。 4. 反应器压力安全控制 如果加热过猛，会超压。为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的 设计。 5. 升温、保温、出料、清洗顺序控制 为实现从升温、保温至出料、清洗的整个过程的自动控制，需要设计顺序控 制系统。 三、解决方案 3.1 反应升温速度控制 在缩合反应阶段，打开反应釜搅拌电机S8，夹套蒸汽加热阀S6,釜内温度T 西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛设计方案 逐渐上升。这时在不加任何冷却控制的情况下，温度上升的速率在0.1~0.2℃/s 以内，满足题目要求。当温度T1上升至45℃左右应停止加热，关闭夹套蒸汽加 热阀 S6。反应此时已被深度诱发，并逐渐靠自身反应的放热效应不断加快反应 速度。当反应釜温度上升至65℃左右（釜压0.18Mpa左右），间断小量开启夹套 冷却水阀门V8及蛇管冷却水阀门V7，控制反应