4   Mobil（專(zhuān)利）汽相苯烴化制乙苯工藝流程的缺陷

    綜上所述，圖1所示的Mobil專(zhuān)利流程R-101的6層差分式反應器既把巨量總反應熱分散而又利用2－6層的“冷”進(jìn)料與來(lái)自上層的反應物和產(chǎn)物直接混合而全量吸收所攜帶的反應熱，充分利用了反應熱而不使其逐層積聚。這種巧妙的構思都是基于穩態(tài)的物料熱量平衡算法考慮的，沒(méi)有顧及如何達到平衡的穩態(tài)并維持之。然而正如圖1所示，來(lái)自一根乙烯進(jìn)料總管102分成并行6股乙烯分進(jìn)料，來(lái)自換熱器E-101出口（汽相）苯總進(jìn)料管分成并行6股苯進(jìn)料所衍生的彼此間的動(dòng)態(tài)耦合使之難以達到和維持這種平衡，終使各層反應溫度常處于波動(dòng)狀態(tài)。非但如此，利用2－6層的（汽相）苯冷進(jìn)料作為各層反應溫度的調節劑，很可能引發(fā)由于液態(tài)苯在蒸發(fā)器E-102變成飽和苯的氣化潛熱容量大招致的容量滯后而導致作為調節劑的瞬時(shí)高供量短缺而導致文獻1所述的內部正反饋，以致“飛溫”失控。

    如圖1所示，若來(lái)自乙烯總流量的分配程序快進(jìn)入第3層的110分管的乙烯進(jìn)料量有所變化會(huì )導致其相鄰的108、112的進(jìn)料順時(shí)減小并波及114、116和104管進(jìn)料變化。各層乙烯進(jìn)料量的起伏變化必引起各相應床層的反應熱的起伏變化，最終導致作為調節劑的各層“冷”（汽相）苯進(jìn)料的變化。只要有一層溫度導致其相應的“冷”進(jìn)料量波動(dòng)，就會(huì )因為源自一根“冷”進(jìn)料總管的105～115各分管的動(dòng)態(tài)耦合而導致各分管進(jìn)料的此消彼長(cháng)和此長(cháng)彼消的來(lái)回振蕩變化從而致使各層溫度難以平穩。這種由于一根總管分股并行分支所衍生的動(dòng)態(tài)耦合導致難以達到平衡穩定狀態(tài)并維持，不但延長(cháng)了開(kāi)車(chē)時(shí)間，而且給正常生產(chǎn)操作帶來(lái)困難，經(jīng)常處于溫度動(dòng)蕩變化也有損催化劑使用壽命。

    如圖1所示，來(lái)自總管102的乙烯總進(jìn)料因乙烯本身是氣態(tài)而且有的來(lái)自低壓透平壓縮機，致使并行各股分層乙烯進(jìn)料量的相互動(dòng)態(tài)耦合相對較弱，細心慢步操作可使各分管進(jìn)料達到平衡值。（汽相）苯一側則不然！

    （汽相）苯一側由于以下原因使各層“冷”進(jìn)料流量彼此的動(dòng)態(tài)耦合引起的波動(dòng)更為頻繁、嚴重，甚至可能溫度失控。

    A ：107～115各分管的（汽相）苯進(jìn)料流量是R-101的2－6層反應溫度的調節劑，任何因素引發(fā)2－6層反應溫度的變化都必將使該層的（汽相）苯“冷”進(jìn)料流量變化，繼而由于各分支（汽相）苯都來(lái)自同一總管而引發(fā)相鄰分管“冷”進(jìn)料流量的此消彼長(cháng)和此長(cháng)彼消的動(dòng)態(tài)耦合的漫長(cháng)衰減振蕩才逐漸平穩。

    B：由上述物料衡算可知，即使按與乙烯作1：1等克分子配比（汽相）苯的需求量也達到16.666噸/小時(shí)，何況第一層（汽相）苯進(jìn)料量相應乙烯進(jìn)料的n倍。同時(shí)，（汽相）苯流量是R-101 2-6層床反應溫度的調節劑，由于彼此間動(dòng)態(tài)耦合或其它原因造成某一分管或總管（汽相）苯的“冷”進(jìn)料流量瞬時(shí)大增，使來(lái)自一根總管103的（汽相）苯因無(wú)儲備量而供應短缺。這種（汽相）苯供量短缺會(huì )因為如文獻1所述的“任何反應器進(jìn)、出料換熱所造成的內部正反饋”而導致溫度失控。這種內部正反饋是這樣造成的：如反應溫度升高，則R-101出口氣溫升高，經(jīng)E-101換熱而使同量的103管（汽相）苯的過(guò)熱溫度升高，會(huì )使各分管的“冷”進(jìn)料不夠“冷”而導致反應床層溫度更升高，如此循環(huán)反復，形成內部正反饋。Mobil專(zhuān)利注意到這種“飛溫”的可能性，在圖1所示的流程安排上，在R-101出口氣進(jìn)入換熱器E-101的管道旁放置了一根旁路管道，一旦出現“飛溫”征兆，即開(kāi)通這根旁路管，減少甚至截斷對E-101的供熱，以使103總管的（汽相）苯攜帶的熱量減少而斬斷這種內部正反饋。然而，這種開(kāi)通旁路而阻止“飛溫”的舉措既降低了反應熱的充分利用使整個(gè)專(zhuān)利流程的熱效率降低，也沒(méi)有解決（汽相）苯瞬時(shí)供量不足的根本問(wèn)題。

    C：（汽相）苯瞬時(shí)供量不足的根源是液體苯在蒸發(fā)器E-102內由高溫（水）蒸汽傳遞的熱量到其達到氣化潛熱量值后才變成飽和（汽相）苯離開(kāi)E-102，而液體變成蒸汽的氣化潛熱比較大，需要一定供熱時(shí)間才能達到，而且需要一定的汽化空間。圖1所示，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的汽化空間，其汽化空間僅是（汽相）苯總管包括E-101的管程和各分管的體積之和，顯然由難以瞬時(shí)提供飽和（汽相）苯高供量?？傊?，液態(tài)苯變成飽和（汽相）苯的汽化空間不足是造成一根總管分成6根并行分管供量間的動(dòng)態(tài)耦合以及由于作為溫度調節劑所可能引發(fā)的瞬時(shí)（汽相）苯供量短缺的總根源。

    如圖1所示:R-101的2-6層床層反應溫度與自進(jìn)料分管(107~115)的“冷“進(jìn)料流量的串級控制回路因源自1根總管（102乙烯進(jìn)料總管和103（汽相）苯進(jìn)料總管）而引發(fā)的動(dòng)態(tài)耦合問(wèn)題，使用自控的矩陣解耦方法可以勉強解決，但也要經(jīng)過(guò)幾個(gè)來(lái)回的彼長(cháng)此消到彼消此長(cháng)的各進(jìn)料閥門(mén)啟閉開(kāi)度的來(lái)回變動(dòng)過(guò)程才會(huì )漸趨平穩，但無(wú)法維持這種平穩。5*5矩陣因各股進(jìn)料量大小不等而不對稱(chēng)，不但矩陣解耦求逆困難，還增加所使用的控制裝置（DCS或FCS）的時(shí)空開(kāi)銷(xiāo)。

    顯然，迄今為止，古今中外的石化工藝生產(chǎn)流程設計實(shí)施僅考慮穩態(tài)平衡的物料、能量衡算，從不考慮如何達到穩態(tài)平衡和維持的動(dòng)態(tài)過(guò)程和擾動(dòng)，這種固有的觀(guān)念在Mobil(專(zhuān)利)苯烴化制乙苯流程設計中得到了全盤(pán)體現。把總管進(jìn)料分成6股并行分管進(jìn)料所衍生的動(dòng)態(tài)耦合的困擾，把2-6層（汽相）苯“冷”進(jìn)料作為各反應層溫度調節劑所衍生的液態(tài)苯汽化空間不足及汽化潛熱的（熱）容量滯后可能導致的瞬時(shí)（汽相）苯高供量短缺所造成動(dòng)態(tài)困擾，難以快捷達到并維持的穩態(tài)平衡，使生產(chǎn)裝置操作困難的難題留給自控和現場(chǎng)，這應當嗎？這使多年為石化生產(chǎn)服務(wù)的筆者萌生了“能消除多股進(jìn)料動(dòng)態(tài)耦合的反應器系統”專(zhuān)利的構思。

5 “能消除多股進(jìn)料動(dòng)態(tài)耦合的反應器系統”專(zhuān)利的構思

    既然上面已詳細分析了源自一根進(jìn)料總管分成并行6股分料所衍生的彼此之間的動(dòng)態(tài)耦合。作為各反應床層（2-6層）溫度調節劑所衍生的“冷”進(jìn)料（汽相）苯瞬時(shí)短缺的根源是無(wú)儲備而造成的，那么，如圖2所示，僅在圖1所示Mobil專(zhuān)利流程的基礎上，在乙烯進(jìn)料總管102至進(jìn)料分管104、108、110、112、114及116之間加入兩個(gè)聯(lián)通的空罐子A1-A2；在出自換熱器E-101的（汽相）苯進(jìn)料總管到105、107、109、111、113及115各（汽相）苯進(jìn)料分管之間加入并聯(lián)的兩個(gè)空罐子儲存一定量的（汽相）苯以供瞬時(shí)高供量之需，不就從源頭上徹底解決了源自一根總管分成多股并行進(jìn)料流量所衍生的動(dòng)態(tài)耦合及作為調節劑所衍生的瞬時(shí)高供量的短缺問(wèn)題了嗎？這就是本專(zhuān)利的構思！

    在原有流程中，在乙烯進(jìn)料總管到6股分進(jìn)料分管和（汽相）苯總管103至6股并行（汽相）苯進(jìn)料分管之間各加入兩個(gè)聯(lián)通的空罐子A1-A2和B1-B2作為緩沖器而形成的穩流器不僅從“源頭”上根除了多股進(jìn)料所衍生的動(dòng)態(tài)耦合困擾，快捷達到穩態(tài)平衡并維持之；而且增加液態(tài)苯的汽化空間不僅有利液態(tài)苯汽化，緩沖器B1-B2的（汽相）苯儲量還足以解作為各床層反應溫度調節劑的不時(shí)高供量之需，完全彌補了液態(tài)苯—飽和（汽相）苯因汽化潛熱熱容量大而注定的時(shí)間滯后（容量滯后所引起）的供量短缺。顯然，Mobil專(zhuān)利流程把其所衍生的動(dòng)態(tài)耦合困擾和可能短時(shí)（汽相）苯高供量短缺留給現場(chǎng)，用5*5動(dòng)態(tài)矩陣解耦的辦法是一種“揚湯止沸，舍本就末”的事倍功半的舉措；而在其流程中于總管至各并行分管之間加入兩個(gè)聯(lián)通空罐子作為緩沖而構成穩流器簡(jiǎn)捷可行而無(wú)任何技術(shù)難度和風(fēng)險，是一種“釜底抽薪”的事半功倍的舉措。

    約在12年前，原工作單位在試制苯乙烯、乙苯的催化劑考評（微型）裝置時(shí)，制作者就多股進(jìn)料難以擺平各層溫度控制的穩定而向筆者咨詢(xún)。筆者當即告知：在一根（細）總管至各層進(jìn)料并引支管之間加一段粗管子，立刻見(jiàn)效！制作者愕然而究其原因；知其電路熟悉，即以穩壓電源的RC（濾波）作答，該君立即大徹大悟！寫(xiě)這段趣聞，無(wú)非是告知青年學(xué)子，這就是觸類(lèi)旁通！亦即，二者屬性抽象成數學(xué)描述（即數字模型）是完全一樣的，但物理表征大異，僅熟知電路而對石化知識欠缺者能提出這種專(zhuān)利構思嗎？尤其是對已獲廣泛應用的國外大公司的流程專(zhuān)利予以補充和完善！基此，筆者再次重申：不深刻熟知石化工藝、設備、儀表及控制裝置、環(huán)保等搞不好石化自控和ERP，尤其是后者涉及石化系統的深度和廣度，近于無(wú)處不至！

    筆者的這種立竿見(jiàn)影的即興作答,源自多年石化生產(chǎn)現場(chǎng)工程經(jīng)驗的厚積薄發(fā)以及日常生活體驗的積累。后者體現在筆者原住房子一根自來(lái)水管接多個(gè)分支龍頭而相互動(dòng)態(tài)耦合的困擾，而新住房屋頂水箱根除了此種困擾?；?，在2004年初，見(jiàn)到圖1所示Mobil的苯烴化(專(zhuān)利)工藝流程圖時(shí)即萌發(fā)了此項專(zhuān)利構思。
 

圖1

6   在石化工藝流程(設計實(shí)施)中顧及如何達到穩態(tài)平衡并維持的關(guān)鍵是觀(guān)念的轉變

    迄今為止，古今中外在石化工藝生產(chǎn)流程(設計實(shí)施)中，從來(lái)是以穩態(tài)的物料衡算和能量衡算的需求安排流程(包括開(kāi)/停工管線(xiàn)的考慮)和設備裝置，而從不考慮如何達到并維持這種穩態(tài)平衡，而把有關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程(問(wèn)題)及生產(chǎn)操作問(wèn)題給現場(chǎng)與自控是習以為常天經(jīng)地義的慣例；考慮這種動(dòng)態(tài)問(wèn)題是石化流程設計、實(shí)施的份外事！

    本專(zhuān)利以Mobil(苯烴化專(zhuān)利)流程為例，僅在總管至各并行分管之間加入兩個(gè)聯(lián)通的空罐子儲備物料構成穩流器就徹底解決了其把總管進(jìn)料分成多股進(jìn)料；以及把(汽相)苯“冷”進(jìn)料流量作為溫控的調節劑所衍生的動(dòng)態(tài)耦合困擾以及液態(tài)苯變(汽相)苯的汽化潛熱熱容量大所注定的容量滯后造成瞬時(shí)高供量短缺等衍生的后遺癥。這種簡(jiǎn)便易行、無(wú)任何風(fēng)險、困難在流程中的增補，在技術(shù)合理性上令其無(wú)法拒絕，而是在習慣、觀(guān)念上難以接受。在國內石化系統更是如此，體現在以下兩個(gè)方面：

    A、 國內大型石化生產(chǎn)裝置，尤其是大型化工生產(chǎn)裝置大多是整體從國外引進(jìn)的，例如上一世紀70年代引進(jìn)的13套30萬(wàn)噸合成氨、52萬(wàn)噸尿素的大型氨廠(chǎng)，相繼引入的4套30萬(wàn)噸乙烯，近期引進(jìn)的多個(gè)90萬(wàn)噸乙烯工程等釀成了一種崇洋的風(fēng)氣。例如一位在技術(shù)上負責審核工藝色開(kāi)發(fā)設計的副總對這項在申報專(zhuān)利前的建議，以如下奴性理由拒絕：“有好處，沒(méi)壞處；不是非用不可；因為外國人沒(méi)有用，我們也不用！”請注意，在石化系統，類(lèi)似此君信念者并非個(gè)別。文獻（1）曾提及外商以技術(shù)聯(lián)盟為名推銷(xiāo)的APC軟件已全成廢盤(pán)，9位數花費全泡湯，前幾年開(kāi)始搞石化ERP，成批買(mǎi)軟件已花了10位數投資，仍未達到“及格”的初級標準。這個(gè)“及格”初級標準就是筆者在文獻（1）中所提示的無(wú)需鑒定通過(guò)的硬指標，ERP實(shí)施是否取代了廠(chǎng)級和公司級的人工制調度？近悉，準備花11位數投資搞MES（離散制造行業(yè)的“制造執行系統”）和信息化，與之對照，筆者竟敢對引進(jìn)的乙烯工程廣泛購買(mǎi)的MOBIL（汽相）苯烴化制乙苯的專(zhuān)利流程進(jìn)行增補使之完善，簡(jiǎn)直是“膽大妄為”?？磥?lái)，國內“自主創(chuàng )新”成果要在國內石化系統使用是困難的！

    B、 石化工藝流程設計師的慣例——對于新流程或流程改造及增刪等都會(huì )異口同聲提出相同的問(wèn)題：何處成功應用過(guò)？筆者充分理解這些工程設計師的心態(tài)，做第一個(gè)吃大閘蟹的人要承擔風(fēng)險與責任！對于在流程設計中實(shí)施圖2所示的本專(zhuān)利，尤其是在90萬(wàn)噸乙烯工程中的16萬(wàn)噸/年苯乙烯項目的苯烴化制乙苯的流程中，在進(jìn)料總管至各個(gè)分管之間加入A1-A2，B1-B2，聯(lián)通的空罐子作穩流器有風(fēng)險嗎？同樣，住房屋頂的（高位）水箱有風(fēng)險嗎？誠然，過(guò)去沒(méi)有高位水箱不是也過(guò)來(lái)了嗎？但現在請君返回到?jīng)]有屋頂水箱的住處，你愿意嗎？基此，筆者期望那些已按圖1Mobil專(zhuān)利流程投產(chǎn)的苯烴化制乙苯生產(chǎn)裝置在進(jìn)行技術(shù)改造中使用本專(zhuān)利。
 

圖2

    本專(zhuān)利旨在使Mobil的苯烴化制乙苯的生產(chǎn)裝置快捷達到并長(cháng)期維持在平穩狀態(tài)，不僅保護了催化劑免受溫度頻繁波動(dòng)而影響壽命，而且縮短了開(kāi)車(chē)時(shí)間，把操作人員從長(cháng)期頻繁、小心細步、慢步的操作困惑中解脫出來(lái)。這些間接效益只有待現場(chǎng)使用一個(gè)或幾個(gè)運行周期后與以前Mobil流程運行情況對照才能得知。期望已投產(chǎn)的這類(lèi)裝置的廠(chǎng)家先行協(xié)同使用本專(zhuān)利。

7    在未來(lái)石化工藝流程中使用本專(zhuān)利的展望

    由上述可知，圖1所示的Mobil6層差分式進(jìn)料一反應器R-101，對于像乙烯與（汽相）苯這樣的零階（與反應物濃度無(wú)關(guān)）且不可逆的化學(xué)反應是最合適不過(guò)的了，而對于非零階或可逆的反應未必合適。另外，就固定床反應器而言，按阿累尼斯方程原理，現行常見(jiàn)的一體式、大型立柱式反應器都是積分式反應器，產(chǎn)物濃度隨進(jìn)入催化劑床層的深度增加而累積增加，則反應推動(dòng)力卻隨之按指數減少，轉化率隨之下降。雖然，微分式反應器最為理想但難于實(shí)現。如圖3所示，接近微分式反應器的由多個(gè)并聯(lián)（N個(gè)）的小型、薄催化劑床層的反應器，隨著(zhù)制造技術(shù)的進(jìn)步而不難實(shí)現（為利用高度，節約用地，可把圖3中N個(gè)薄層反應床疊起，分層并行進(jìn)料而各層出口都接向一根總管出口。）對于解決巨量反應熱積聚，圖3所示把其分成等量N份并行進(jìn)料，這些并行分進(jìn)料來(lái)自A1-A2，B1-B2穩流器；為利用反應熱，則先行將進(jìn)料外加熱至至反應溫度，進(jìn)行反應之后，由各出口氣的反應熱與進(jìn)口進(jìn)料用熱交換器換熱而逐步把外加熱撤去。這樣亦可代替Mobil專(zhuān)利的苯烴化差分式反應器R—101，但反應熱沒(méi)有全量應用而在熱效率上不如前者。
 

圖3

    反之，圖3所示多個(gè)并聯(lián)薄床層的小反應器，如在出口匯集后用分子篩把出口氣中的產(chǎn)物與未反應完的反應物分離，把后者返回進(jìn)料處，則可適用包括零階不可逆反應在內的任何階反應與可逆反應.這樣，既節減了采用汽——液相變的分離方法所需能耗，又保護了環(huán)境免受污染。隨著(zhù)分子篩的發(fā)展，筆者預期圖3所示的多個(gè)并聯(lián)薄催化劑床的反應器將普及使用，則本專(zhuān)利亦將隨之普及。

    最后，告知讀者，對于總管壓力≥0.5MP的多股進(jìn)料勿需使用緩沖罐組成的穩壓器。

參考文獻：

    ［1］ 鐘霖田.  再論石化ERP和APC兼論為工藝生產(chǎn)服務(wù)的自控工作者如何自主創(chuàng )新[J].  自動(dòng)化博覽,2007.6(3):20-27.