4   Mobil（专利）汽相苯烃化制乙苯工艺流程的缺陷

    综上所述，图1所示的Mobil专利流程R-101的6层差分式反应器既把巨量总反应热分散而又利用2－6层的“冷”进料与来自上层的反应物和产物直接混合而全量吸收所携带的反应热，充分利用了反应热而不使其逐层积聚。这种巧妙的构思都是基于稳态的物料热量平衡算法考虑的，没有顾及如何达到平衡的稳态并维持之。然而正如图1所示，来自一根乙烯进料总管102分成并行6股乙烯分进料，来自换热器E-101出口（汽相）苯总进料管分成并行6股苯进料所衍生的彼此间的动态耦合使之难以达到和维持这种平衡，终使各层反应温度常处于波动状态。非但如此，利用2－6层的（汽相）苯冷进料作为各层反应温度的调节剂，很可能引发由于液态苯在蒸发器E-102变成饱和苯的气化潜热容量大招致的容量滞后而导致作为调节剂的瞬时高供量短缺而导致文献1所述的内部正反馈，以致“飞温”失控。

    如图1所示，若来自乙烯总流量的分配程序快进入第3层的110分管的乙烯进料量有所变化会导致其相邻的108、112的进料顺时减小并波及114、116和104管进料变化。各层乙烯进料量的起伏变化必引起各相应床层的反应热的起伏变化，最终导致作为调节剂的各层“冷”（汽相）苯进料的变化。只要有一层温度导致其相应的“冷”进料量波动，就会因为源自一根“冷”进料总管的105～115各分管的动态耦合而导致各分管进料的此消彼长和此长彼消的来回振荡变化从而致使各层温度难以平稳。这种由于一根总管分股并行分支所衍生的动态耦合导致难以达到平衡稳定状态并维持，不但延长了开车时间，而且给正常生产操作带来困难，经常处于温度动荡变化也有损催化剂使用寿命。

    如图1所示，来自总管102的乙烯总进料因乙烯本身是气态而且有的来自低压透平压缩机，致使并行各股分层乙烯进料量的相互动态耦合相对较弱，细心慢步操作可使各分管进料达到平衡值。（汽相）苯一侧则不然！

    （汽相）苯一侧由于以下原因使各层“冷”进料流量彼此的动态耦合引起的波动更为频繁、严重，甚至可能温度失控。

    A ：107～115各分管的（汽相）苯进料流量是R-101的2－6层反应温度的调节剂，任何因素引发2－6层反应温度的变化都必将使该层的（汽相）苯“冷”进料流量变化，继而由于各分支（汽相）苯都来自同一总管而引发相邻分管“冷”进料流量的此消彼长和此长彼消的动态耦合的漫长衰减振荡才逐渐平稳。

    B：由上述物料衡算可知，即使按与乙烯作1：1等克分子配比（汽相）苯的需求量也达到16.666吨/小时，何况第一层（汽相）苯进料量相应乙烯进料的n倍。同时，（汽相）苯流量是R-101 2-6层床反应温度的调节剂，由于彼此间动态耦合或其它原因造成某一分管或总管（汽相）苯的“冷”进料流量瞬时大增，使来自一根总管103的（汽相）苯因无储备量而供应短缺。这种（汽相）苯供量短缺会因为如文献1所述的“任何反应器进、出料换热所造成的内部正反馈”而导致温度失控。这种内部正反馈是这样造成的：如反应温度升高，则R-101出口气温升高，经E-101换热而使同量的103管（汽相）苯的过热温度升高，会使各分管的“冷”进料不够“冷”而导致反应床层温度更升高，如此循环反复，形成内部正反馈。Mobil专利注意到这种“飞温”的可能性，在图1所示的流程安排上，在R-101出口气进入换热器E-101的管道旁放置了一根旁路管道，一旦出现“飞温”征兆，即开通这根旁路管，减少甚至截断对E-101的供热，以使103总管的（汽相）苯携带的热量减少而斩断这种内部正反馈。然而，这种开通旁路而阻止“飞温”的举措既降低了反应热的充分利用使整个专利流程的热效率降低，也没有解决（汽相）苯瞬时供量不足的根本问题。

    C：（汽相）苯瞬时供量不足的根源是液体苯在蒸发器E-102内由高温（水）蒸汽传递的热量到其达到气化潜热量值后才变成饱和（汽相）苯离开E-102，而液体变成蒸汽的气化潜热比较大，需要一定供热时间才能达到，而且需要一定的汽化空间。图1所示，没有专门的汽化空间，其汽化空间仅是（汽相）苯总管包括E-101的管程和各分管的体积之和，显然由难以瞬时提供饱和（汽相）苯高供量。总之，液态苯变成饱和（汽相）苯的汽化空间不足是造成一根总管分成6根并行分管供量间的动态耦合以及由于作为温度调节剂所可能引发的瞬时（汽相）苯供量短缺的总根源。

    如图1所示:R-101的2-6层床层反应温度与自进料分管(107~115)的“冷“进料流量的串级控制回路因源自1根总管（102乙烯进料总管和103（汽相）苯进料总管）而引发的动态耦合问题，使用自控的矩阵解耦方法可以勉强解决，但也要经过几个来回的彼长此消到彼消此长的各进料阀门启闭开度的来回变动过程才会渐趋平稳，但无法维持这种平稳。5*5矩阵因各股进料量大小不等而不对称，不但矩阵解耦求逆困难，还增加所使用的控制装置（DCS或FCS）的时空开销。

    显然，迄今为止，古今中外的石化工艺生产流程设计实施仅考虑稳态平衡的物料、能量衡算，从不考虑如何达到稳态平衡和维持的动态过程和扰动，这种固有的观念在Mobil(专利)苯烃化制乙苯流程设计中得到了全盘体现。把总管进料分成6股并行分管进料所衍生的动态耦合的困扰，把2-6层（汽相）苯“冷”进料作为各反应层温度调节剂所衍生的液态苯汽化空间不足及汽化潜热的（热）容量滞后可能导致的瞬时（汽相）苯高供量短缺所造成动态困扰，难以快捷达到并维持的稳态平衡，使生产装置操作困难的难题留给自控和现场，这应当吗？这使多年为石化生产服务的笔者萌生了“能消除多股进料动态耦合的反应器系统”专利的构思。

5 “能消除多股进料动态耦合的反应器系统”专利的构思

    既然上面已详细分析了源自一根进料总管分成并行6股分料所衍生的彼此之间的动态耦合。作为各反应床层（2-6层）温度调节剂所衍生的“冷”进料（汽相）苯瞬时短缺的根源是无储备而造成的，那么，如图2所示，仅在图1所示Mobil专利流程的基础上，在乙烯进料总管102至进料分管104、108、110、112、114及116之间加入两个联通的空罐子A1-A2；在出自换热器E-101的（汽相）苯进料总管到105、107、109、111、113及115各（汽相）苯进料分管之间加入并联的两个空罐子储存一定量的（汽相）苯以供瞬时高供量之需，不就从源头上彻底解决了源自一根总管分成多股并行进料流量所衍生的动态耦合及作为调节剂所衍生的瞬时高供量的短缺问题了吗？这就是本专利的构思！

    在原有流程中，在乙烯进料总管到6股分进料分管和（汽相）苯总管103至6股并行（汽相）苯进料分管之间各加入两个联通的空罐子A1-A2和B1-B2作为缓冲器而形成的稳流器不仅从“源头”上根除了多股进料所衍生的动态耦合困扰，快捷达到稳态平衡并维持之；而且增加液态苯的汽化空间不仅有利液态苯汽化，缓冲器B1-B2的（汽相）苯储量还足以解作为各床层反应温度调节剂的不时高供量之需，完全弥补了液态苯—饱和（汽相）苯因汽化潜热热容量大而注定的时间滞后（容量滞后所引起）的供量短缺。显然，Mobil专利流程把其所衍生的动态耦合困扰和可能短时（汽相）苯高供量短缺留给现场，用5*5动态矩阵解耦的办法是一种“扬汤止沸，舍本就末”的事倍功半的举措；而在其流程中于总管至各并行分管之间加入两个联通空罐子作为缓冲而构成稳流器简捷可行而无任何技术难度和风险，是一种“釜底抽薪”的事半功倍的举措。

    约在12年前，原工作单位在试制苯乙烯、乙苯的催化剂考评（微型）装置时，制作者就多股进料难以摆平各层温度控制的稳定而向笔者咨询。笔者当即告知：在一根（细）总管至各层进料并引支管之间加一段粗管子，立刻见效！制作者愕然而究其原因；知其电路熟悉，即以稳压电源的RC（滤波）作答，该君立即大彻大悟！写这段趣闻，无非是告知青年学子，这就是触类旁通！亦即，二者属性抽象成数学描述（即数字模型）是完全一样的，但物理表征大异，仅熟知电路而对石化知识欠缺者能提出这种专利构思吗？尤其是对已获广泛应用的国外大公司的流程专利予以补充和完善！基此，笔者再次重申：不深刻熟知石化工艺、设备、仪表及控制装置、环保等搞不好石化自控和ERP，尤其是后者涉及石化系统的深度和广度，近于无处不至！

    笔者的这种立竿见影的即兴作答,源自多年石化生产现场工程经验的厚积薄发以及日常生活体验的积累。后者体现在笔者原住房子一根自来水管接多个分支龙头而相互动态耦合的困扰，而新住房屋顶水箱根除了此种困扰。基此，在2004年初，见到图1所示Mobil的苯烃化(专利)工艺流程图时即萌发了此项专利构思。
 

图1

6   在石化工艺流程(设计实施)中顾及如何达到稳态平衡并维持的关键是观念的转变

    迄今为止，古今中外在石化工艺生产流程(设计实施)中，从来是以稳态的物料衡算和能量衡算的需求安排流程(包括开/停工管线的考虑)和设备装置，而从不考虑如何达到并维持这种稳态平衡，而把有关动态过程(问题)及生产操作问题给现场与自控是习以为常天经地义的惯例；考虑这种动态问题是石化流程设计、实施的份外事！

    本专利以Mobil(苯烃化专利)流程为例，仅在总管至各并行分管之间加入两个联通的空罐子储备物料构成稳流器就彻底解决了其把总管进料分成多股进料；以及把(汽相)苯“冷”进料流量作为温控的调节剂所衍生的动态耦合困扰以及液态苯变(汽相)苯的汽化潜热热容量大所注定的容量滞后造成瞬时高供量短缺等衍生的后遗症。这种简便易行、无任何风险、困难在流程中的增补，在技术合理性上令其无法拒绝，而是在习惯、观念上难以接受。在国内石化系统更是如此，体现在以下两个方面：

    A、 国内大型石化生产装置，尤其是大型化工生产装置大多是整体从国外引进的，例如上一世纪70年代引进的13套30万吨合成氨、52万吨尿素的大型氨厂，相继引入的4套30万吨乙烯，近期引进的多个90万吨乙烯工程等酿成了一种崇洋的风气。例如一位在技术上负责审核工艺色开发设计的副总对这项在申报专利前的建议，以如下奴性理由拒绝：“有好处，没坏处；不是非用不可；因为外国人没有用，我们也不用！”请注意，在石化系统，类似此君信念者并非个别。文献（1）曾提及外商以技术联盟为名推销的APC软件已全成废盘，9位数花费全泡汤，前几年开始搞石化ERP，成批买软件已花了10位数投资，仍未达到“及格”的初级标准。这个“及格”初级标准就是笔者在文献（1）中所提示的无需鉴定通过的硬指标，ERP实施是否取代了厂级和公司级的人工制调度？近悉，准备花11位数投资搞MES（离散制造行业的“制造执行系统”）和信息化，与之对照，笔者竟敢对引进的乙烯工程广泛购买的MOBIL（汽相）苯烃化制乙苯的专利流程进行增补使之完善，简直是“胆大妄为”。看来，国内“自主创新”成果要在国内石化系统使用是困难的！

    B、 石化工艺流程设计师的惯例——对于新流程或流程改造及增删等都会异口同声提出相同的问题：何处成功应用过？笔者充分理解这些工程设计师的心态，做第一个吃大闸蟹的人要承担风险与责任！对于在流程设计中实施图2所示的本专利，尤其是在90万吨乙烯工程中的16万吨/年苯乙烯项目的苯烃化制乙苯的流程中，在进料总管至各个分管之间加入A1-A2，B1-B2，联通的空罐子作稳流器有风险吗？同样，住房屋顶的（高位）水箱有风险吗？诚然，过去没有高位水箱不是也过来了吗？但现在请君返回到没有屋顶水箱的住处，你愿意吗？基此，笔者期望那些已按图1Mobil专利流程投产的苯烃化制乙苯生产装置在进行技术改造中使用本专利。
 

图2

    本专利旨在使Mobil的苯烃化制乙苯的生产装置快捷达到并长期维持在平稳状态，不仅保护了催化剂免受温度频繁波动而影响寿命，而且缩短了开车时间，把操作人员从长期频繁、小心细步、慢步的操作困惑中解脱出来。这些间接效益只有待现场使用一个或几个运行周期后与以前Mobil流程运行情况对照才能得知。期望已投产的这类装置的厂家先行协同使用本专利。

7    在未来石化工艺流程中使用本专利的展望

    由上述可知，图1所示的Mobil6层差分式进料一反应器R-101，对于像乙烯与（汽相）苯这样的零阶（与反应物浓度无关）且不可逆的化学反应是最合适不过的了，而对于非零阶或可逆的反应未必合适。另外，就固定床反应器而言，按阿累尼斯方程原理，现行常见的一体式、大型立柱式反应器都是积分式反应器，产物浓度随进入催化剂床层的深度增加而累积增加，则反应推动力却随之按指数减少，转化率随之下降。虽然，微分式反应器最为理想但难于实现。如图3所示，接近微分式反应器的由多个并联（N个）的小型、薄催化剂床层的反应器，随着制造技术的进步而不难实现（为利用高度，节约用地，可把图3中N个薄层反应床叠起，分层并行进料而各层出口都接向一根总管出口。）对于解决巨量反应热积聚，图3所示把其分成等量N份并行进料，这些并行分进料来自A1-A2，B1-B2稳流器；为利用反应热，则先行将进料外加热至至反应温度，进行反应之后，由各出口气的反应热与进口进料用热交换器换热而逐步把外加热撤去。这样亦可代替Mobil专利的苯烃化差分式反应器R—101，但反应热没有全量应用而在热效率上不如前者。
 

图3

    反之，图3所示多个并联薄床层的小反应器，如在出口汇集后用分子筛把出口气中的产物与未反应完的反应物分离，把后者返回进料处，则可适用包括零阶不可逆反应在内的任何阶反应与可逆反应.这样，既节减了采用汽——液相变的分离方法所需能耗，又保护了环境免受污染。随着分子筛的发展，笔者预期图3所示的多个并联薄催化剂床的反应器将普及使用，则本专利亦将随之普及。

    最后，告知读者，对于总管压力≥0.5MP的多股进料勿需使用缓冲罐组成的稳压器。

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,2007.6(3):20-27.