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钟霖田（1938－）
男，原上海石油化工研究院教授级高工，1961年毕业于天津大学化工自动化及仪表专业。参与国内第一台DCS的现场使用到自行开发一套小型DCS样机并成功试用于生产现场及国家“八五720-04课题”攻关，现主要从事FCS及其系统集成以及石化ERP。
1 引言
迄今为止，古今中外的石化生产工艺流程和设备装置从来只考虑稳态平衡而不顾及如何达到和维持这种稳态平衡。传统做法是以稳态（物料、能量）平衡为基石的工艺生产流程的安排和设备装置由工艺师确定，而自控设计仅是据此确定的流程安排与设备设置作为“配套”而“听令”。这种仅从稳态考虑的流程设计因未能考虑如何快捷使生产（装置）平稳并维持，可能给自控和现场操作留下的“自由”空间太少而难以使之平稳。为摆脱这种困境从而更好地服务于生产，无论是参与“配套”设计的自控工作者还是现场的自控工作者，都必须彻底了解工艺流程设计和设备设置所固有的和衍生的所有技术问题，特别是动态干扰问题。如若发现在流程设计和设备设置时能顾及如何达到并维持稳态平衡而能简捷实施时，必须从传统的“听令”到在设计阶段与工艺设计师协商在流程中予以实施，在既有生产流程和装置的现场与工艺师协商进行技术改造，以达到石化生产要求的“安、长、高、稳”。作为率先示范，本专利就是从流程设计中对Mobil（国内熟知的美孚石油公司）的（汽相）苯烃化生成乙苯的流程专利在流程上做了简便易行的补充。
2（汽相）苯烃化反应的特殊性与稳态（物料）衡算
在乙烯工程项目中，大都有苯乙烯生产装置，90万顿乙烯工程中大多配有16万顿/年的大型苯乙烯生产装置。苯乙烯是由乙苯脱氢而成，而乙苯现已全由乙烯与（汽相）苯在催化剂作用下进行苯烃化反应而成，其化学反应式如下：
(2)
2.1（汽相）苯烃化反应的三大特点
反应式（1）的第一特点是零阶反应，即反应的进行与反应物的浓度无关，而且进入的乙烯都会很快反应完。第二个特点，（1）式是放热反应，而且1克分子反应热Q1很大。第三个特点，按（1）式是1克分子乙烯与1克分子（汽相）苯是等量配比，如若按1：1等量配比进料，则乙烯很快反应完而且会形成集聚的粒状物粘附在催化剂表层使其丧失活性而无法继续生产。后两个特点自然成为苯烃化生产（流程）设计、实施的难点。
2.2 稳态物料衡算
目前，常见的苯乙烯生产装置多为16万顿苯乙烯/年的生产能力。苯乙烯的分子量为8×12＋8×1＝104，乙苯的分子量为8×12＋10×1＝106。与16万顿苯乙烯/年生产能力相配对的乙苯装置生产能力应为106/104×16万顿/年＝16.30769万吨乙苯/年。根据反应式（1）的物料衡算，相应的乙烯耗量为28/106×16.30769万吨乙烯/年，苯的耗量为（6×12＋6×1）/106×16.3079万吨乙苯/年＝12.00万吨/年。若每年按300天实际运行时间计算，则所耗的乙烯流量为5.98291顿/小时，所耗苯的流量为16.666顿/小时，两者克分子流量均为213675.2137克分子（乙烯或苯）/小时，按反应式（1）可算出该放热反应的热流量大于21万倍Q1 的热流量。
如此巨大的热流量积累定将把常见的单体大型直柱形的积分式反应器下层的催化剂烧坏而无法维持正常生产。对于苯烃化反应释放巨量反应热而会导致烧坏催化剂这一难题，必须从苯烃化反应器结构入手予以解决。
3 Mobil六层差分式反应器及相关的工艺专利流程的巧妙构思
解决苯烃化反应所释放的巨量反应热积聚的基本思路无疑是：既然一体式反应器不能承受巨量反应热（流量）积聚，那就分开成几处反应。但是如何分法？分开后的巨量反应热如何处置？
Mobil专利充分利用反应式（1）的第一特点——与反应物浓度无关的零阶反应的特点，用6层差分式反应器把总进料分成6股分别进料，并利用2－6层的冷进料全部吸收来自上层的反应热。
如图1所示的Mobil专利流程中，R-101是6层差分式反应器（专利的核心），来自一根总管的总乙烯进料分成6股（104、108、110、112、114、116共6根，并行分管）乙烯与来自热交换器E-101出口总管的略为过热的（汽相）苯总进料分成并行的6股（105、107、109、111、113、115）分进料的这就把总的能量反应热分成大小不等的6份，但是如何处置各层所产生的反应热使之不在下层积聚产生高温烧坏催化剂？这正是Mobil专利的最亮点！
图1 Mobil专利流程
如图1所示，第1层105管（汽相）苯进料是来自（汽相）苯总管略为过热的（汽相）苯经加热炉F-101再加热使之过热后与104管的乙烯汇合后并达到苯烃化反应所需温度之后进入第一层进行（1）式的苯烃化反应，并把相应产生的反应热带至下层。但是，下层怎么处置来自上层的反应热而不使其积聚呢？
由上所述可知，出自E-101换热器的略为过热的汽相苯总进料的温度达不到苯烃化所需的温度，使分至第一层的（汽相）苯进料还要在F-101加热炉过热，并由与104管的乙烯汇合后的温度控制F-101的供热量。那么，来自103总管的107、109。111、113、115分管的（汽相）苯与相应的108、110、112、114和116分管的乙烯汇合后进入R-101的2－6层的进料就都是“冷”进料了。这种“冷”进料与来自上层的、携带大量反应热的反应物均无乙烯，仅留下多余未反应掉的过热（汽相）苯和产物（乙苯）及少（微）量其他副产物的混合气混合，全量吸收上层传递的反应热而达到适宜温度。即，上层传递的反应热就相当于F-101加热炉提供的热流量，由进入2－6层各层“冷”进料全量吸收，岂不是既解决了巨量反应热的逐层积聚，又节约了燃油供热。这种“一举两得”的流程安排难道不是Mobil（汽相）苯烃化流程专利的最亮点吗？但是，2－6层的“冷”进料略为过热的（汽相）苯进料作为各层反应温度的调节剂的举措却衍生出下面将分析的动态困扰。
按1：1克分子配比的乙烯和（汽相）苯按（1）式进行苯烃化生成乙苯会在催化剂表层形成集聚粘状物而令其丧失活性的特点可解决。既然反应式（1）是零阶反应，即反应进行与反应物浓度无关，使乙烯与（汽相）苯克分子比变成1：n，（6≤n≤10）配比，把进料的乙烯浓度予以充分稀释，使其直接接触催化剂的几率大大降低不就安全了吗？何况在开始时先先让（汽相）苯进入各反应曾，一方面使各层催化剂预热升温，另一方面不让其“吸饱”（汽相）苯后再进入由分流程序所确定的乙烯进料量就更加安全了。如图1所示，进入第1层的105管的（汽相）苯进料流量由乙烯总流量自分配程序决定的（104管）乙烯流量按比值确定。这个比值就是上述的n，即在第1层的（汽相）苯（克分子）流量为乙烯的（克分子）流量的n倍。按反应式（1）作1：1等克分子数进行反应，进入第1层的乙烯全反应掉，而多余的（汽相）苯逐层下递而确保各层的乙烯进料量被（汽相）苯充分稀释，不会在催化剂表层形成集聚粘状物。
显然，图1所示的Mobil（汽相）苯烃化专利流程完全是利用反应式的第1个特点——零阶的不可逆反应。因为零阶反应即反应物乙烯与（汽相）苯的浓度与反应无关，而乙烯很快就反应完，多余的（汽相）苯逐层下递以及生成的乙苯稳定，因其官能团是单键的乙烷基，这样自上层下递的反应物（多余的（汽相）苯）和产物对下层苯烃化反应就没什么影响，才能用6层差分式反应器逐层独立进行苯烃化反应，也就使分层进料的分法容易解决。
依照能量指标，先由乙烯总流量算出总的热流量，然后可根据（汽相）苯和乙烯的等压比热以及应达到的适宜反应温度计算出自液态苯蒸发器E-102所出来的（饱和汽相）苯与总乙烯流量常温混合后的混合氯所需的总热流量，其超出总反应热流量部分加上因E-101是间接换热而未能全部接纳R-101出口所携带的反应热的效率损失的热流量就应由F-101所提供。据此，可分别计算出各层乙烯分层进料量所产生的反应热，并顾及由于反应物（过热的汽相苯）产物逐层下递而往下逐层积聚的总物料量在反应温度给定值时所携带的热流量总量，当反复迭代到逐层的热量衡算与逐层的物料衡算均收敛到预定总值时所确定的乙烯总流量分配就形成图1所示的分配程序。按此分配程序，2－5层乙烯进料逐层增加，以第5层进料量最大，第6层乙烯进料量最小。这样的安排是合理的。第6层是最后一层，这一层的反应热是反应器，R-101出口气体总热量的一部分。
参考文献：
［1］ 钟霖田. 再论石化ERP和APC兼论为工艺生产服务的自控工作者如何自主创新［ J ］.自动化博览,2006.6(3):16-22.
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