石化工艺流程设计的观念突破--“能消除多股进料动态耦合的反应器系统”

作者：    来源：PROCESS《流程工业》

欢迎访问e展厅 展厅 8 化工机械展厅 炼油设备, 生物柴油生产设备, 煤化工设备, ... Mobil（汽相）苯烃化制乙苯的专利流程在实际生产中已经得到了广泛的应用，该专利的设计中有很多技术亮点，但同时又衍生出了新的问题，本文所介绍的专利即是对Mobil（汽相）苯烃化制乙苯专利的补充与完善，随着反应器向微分式逼近和分子筛的进展，本专利将随之普及。 Mobil苯烃化制乙苯工艺流程的构思 在乙烯工程项目中，大都有苯乙烯生产装置。苯乙烯是由乙苯脱氢而成，而目前乙苯的生产都是由乙烯与（汽相）苯在催化剂作用下进行苯烃化反应而成。在生产流程中如果采用常见的集中一处进料、单体、大型积分式反应器，那么巨大的热流量积累定将把固定床下层的催化剂烧坏，而无法维持正常生产。显然，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的结构入手予以解决。 解决苯烃化巨量（放热）反应热的基本思路是：既然一体式反应器不能承受巨量反应热（流量）积累，那就需要分成几处反应。但是，如何分？分开后的巨量反应热如何处理？ 已被乙烯工程项目所广泛采用的美国Mobil（汽相）苯烃化生产乙苯的工艺流程，很好地解决了这些问题。如图1所示，其中R-101是6层差分式反应器，来自一根乙烯总管的乙烯总进料分成6股（104、108、110、112、114和116共6根分管）乙烯与来自热交换器E-101的（汽相）苯总管的（汽相）苯总进料分成6股（105、107、109、111、113和115共6根分管）汽相苯汇合后分别进入R-101的1~6层，形成差分式反应器，在各层分别进行苯烃化反应生成乙苯，把总的巨量反应热分成多少不等的6份。但是怎样处置各层所产生的反应热使之不在下层积聚产生高温而烧坏催化剂，这正是Mobil专利的巧妙之处。 如图1所示，第一层105管的（汽相）苯进料是来自（汽相）苯总管的略为过热（因为是来自液态苯蒸发器E-102的饱和苯蒸汽与R-101高温出口气在换热器E-101换热后而形成的过热苯蒸汽）的（汽相）苯还要经过加热炉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适宜温度，在第一层进行苯烃化反应，并把相应产生的反应热带至下层。但是，下层怎么处置上层的反应热而不致逐层积聚呢？这是Mobil专利又一亮点！ 由上述可知，出自E-101的略为过热的（汽相）苯温度达不到反应适宜温度；所以进入第一层（汽相）苯要在燃烧炉加热，并由与104管的乙烯汇合后的温度来控制加热炉F-101的供热量。那么，来自103总管的107、109、111、113、115的（汽相）苯与相应的108~116的乙烯汇合后的各层进料就都是“冷”进料。这种“冷”进料与来自上层的、携带大量反应热的反应物，产物的混合气相混合，全量吸收上层的反应热而达到适宜的反应温度。即上层下达的反应热就相当于F-101加热炉提供热量（流）量，这样既解决了反应热的逐层积聚，又节约了燃油消耗。采用2~6层分层“冷”进料的“一举两得”的构思是Mobil专利的最大亮点。 Mobil苯烃化制乙苯工艺流程的缺陷 综上所述，图1所示的Mobil（汽相）苯烃化制乙苯的工艺流程，R-101的6层差分反应器既把巨量的总的反应热予以分散成大小不等的6份而避免烧毁催化剂，又利用2~6层的“冷”进料与来自上层的反应物与产物直接混合而全量吸收相应的反应热，不仅解决了反应热积聚会造成高温烧坏催化剂，而且还充分利用了反应热。这种巧妙的构思都是基于稳态的物料与热量衡算考虑的，但并没有考虑如何达到和维持这种稳态（平衡）。然而，恰恰如图1所示，来自一根总管102分成并行6股的乙烯分料进料与来自换热器E-101出口汽相苯总管分成并行6股的（汽相）苯分进料所衍生的彼此间的动态耦合使之难以达到并维持稳态平衡，使实际生产装置即使精心操作也难以达到并维持平稳状态，而使各层的反应温度常处于波动状态，不但给实际生产操作带来困难，而经常处于温度动荡变化也会损催化剂的使用寿命。 如图1所示，来自总管102的乙烯，因乙烯本身是气体而且有的来自低压透平（压缩机），致使并行各股分层进料的相互动态耦合相对较弱，细心“小步”操作变动各分管进料可以渐进达到稳态平衡值。而（汽相）苯一侧则不然。（汽相）苯一侧由于以下原因使各分层进料彼此的动态耦合更为频繁、严重，甚至可能“飞温”失控。 如图1中2~6层反应温度与各自进料分管（107~115）的“冷”进料流量的串级控制回路因源自1根总管（102乙烯总管和103（汽相）苯总管）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，也要经过几个回合的各进料阀门启、闭开度的变化过程才会渐近平稳，但无法维持这种平稳。5×5的矩阵因各股进料大小不等而不对称，不但矩阵解耦求逆困难，还增加所使用的控制装置（DCS）的时空开销。显然，迄今为止石化工艺生产流程设计（实施）仅考虑稳态的物料，热量平衡（算），从不考虑如何达到稳态和维持稳态平衡的动态过程这种固有的观念，在Mobil苯烃化制乙苯的生产工艺流程设计中也有所体现。把总的巨量反应热分散并充分利用而形成6层差分式反应和进料，而把1根总管进料分成并行的6股所引起的动态耦合导致难以达到稳态并维持，从而将生产装置操作困难的难题留给自控和操作工。为解决这一问题，笔者产生了“能消除多股进料动态耦合的反应器系统”的构思。 “能消除多股进料动态耦合的反应器系统”专利的构思 以上详细分析了源自一根总管分成并行6股进料，彼此之间动态耦合以及作为反应温度调节剂的“冷”进料量瞬时短缺的根源是无储备而瞬时供量不够，那么如图2所示，仅在原有工艺流程的基础上，在乙烯进料总管102至各进料分管104、108~116之间加入两个并联的空罐A1、A2，在从换热器流出的略为过热的（汽相）苯进料总管至105、107~115各（汽相）苯进料之间加入并联的两个空罐储存了一定量的（汽相）苯以供瞬时高供量之需，从而从“源头”上解决了源自一根总管分成多股并行进料（量）之间动态耦合及作为调节剂的瞬时高供量的问题。这就是本专利的构思。 在流程设计中，在乙烯进料总管至6股进料分管和（汽相）苯总管103至并行6股（汽相）苯进料分管之间各加入两个并联的空罐A1-A2 和B1-B2作为缓冲器而形成的稳流器，不仅从“源头”上根除了多股进料的动态耦合能快速达到液态苯平衡并维持之，而且增加了液态苯的汽化空间，不仅有利于液态苯汽化，而缓冲器B1-B2的（汽相）苯储量足以解决作为反应温度调节剂的不时高（进料）量之需，完全弥补了液态（苯）→（饱和）汽态（苯）因汽化潜热热容量大而注定的时间滞后（延迟）的供量短缺。显然，就解决一根总管多股（并行）进料及作为调节剂瞬时高供量的动态扰动而言，Mobil专利原流程设计中把难题留待现场用5×5动态解耦矩阵方法是一种“扬汤止沸”的解决方法，而在流程中于总管至各并行分管之间加入两个空罐作为缓冲而构成稳流器的办法则是简单易行的事半功倍的解决办法。 应用展望 Mobil 6层差分式进料-反应的反应器对于像乙烯与（汽相）苯这样的零阶（与反应物浓度不无）且不可逆的化学反应非常适合，但对于非零阶的及可逆的反应未必适合。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小，转化率随之下降。显然，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，苯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个基层反应床叠起来，分层并行时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 和B1-B2稳流器；为利用反应热，则先行将进料外加热至反应温度，进引反应之后，由各出口气的反应热与进口料用热交换器换热，而逐步把外加热撤去。这样可代替Mobil专利的苯烃化差分式内反应器R-101，但反应热没有全量应用而在热效率上不如前者。 反之，图3所示多个并联：苯床层的小反应器如将若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，则本专利将随之普及。 如以上所述，Mobil专利在解决问题的同时又给现场（操作工和控制工程师）带来了新的问题，而通常石化工艺流程的设计者并不去考虑如何通过改进工艺流程设计去解决这些问题，笔者认为这种传统观念不可取。本专利的构思和实施方法非常简单，通过对Mobil工艺流程设计进行小的改进即可解决Mobil工艺所衍生的问题，还使得生产装置能够快速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、小心细步的操作困惑中解脱出来。 笔者希望在石化行业中，工程设计人员能够突破传统观念，勇于对已成熟的工艺设计作大胆的改进，这也是响应中国政府“自主创新”的号召。 最后，需要告知读者的是，对于总管压力≥0.5MPa的多股进料勿需使用缓冲罐组成的稳流器。 作者系原中石化上海化工研究院教授级石油化工系统工程师 *专利号ZL20062004168.6(end)

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