CN1050114C - 制备苯乙烯的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制苯乙烯的装置，其特征是反应物流的流动是一种与构成催化床边界相适应的多维流动，催化床是由两个共轴的多孔壁构成，其顶部通常是敞开的；两个多孔壁的开孔区域的高度不相等，内侧的多孔壁和外侧的多孔壁的高度差ΔH＝(0.2～5)×床层的厚度；多孔壁是多种形式的双层多孔板或单层多孔板或格栅等。在相同的工艺条件下，本发明可将装置生产能力提高5～20%，催化剂利用率提高5～20%，选择性提高0.5～2.0%，转化率提高1～4%。
Description
本发明属于烃加工领域，尤其涉及到乙苯脱氢制苯乙烯装置的改进和新建高效装置的设计。
乙苯脱氢制苯乙烯装置一般是由脱氢部分和分离部分组成的。脱氢部分通常由一个带有预混合器和一个级间再热器的二级反应器系统组成的，其原则流程参见图1A。由来自乙苯过热器的乙苯和水蒸汽的混合物流(1)和来自段间再热器(5)被再加热的蒸汽(3)均匀混合后，进入脱氢反应器(4)，反应后的物流被过热蒸汽(6)加热到适当的反应温度后，进入脱氢反应器(7)，出反应器(7)的物流(8)进入后续工序处理。
脱氢反应器常用径向反应器，采用径向反应器的主要优点是压降低，适合乙苯脱氢生成苯乙烯反应在负压下有利的工艺要求。但尚存在如下缺点：1、在径向床中，为了防止催化剂沉降而引起气体短路以及回流，径向床的顶部采用机械密封，其上部保留相当长度的不开孔区(参见图1B)，此区域的催化剂不能得到有效利用，影响了催化剂利用率，降低了反应器的生产能力：2、径向床的机械密封增加了制造、安装的复杂性，同时给催化剂的装填造成了困难：3、径向床上部的不开孔区的存在引起反应气体滞流，降低了催化剂的选择性，易于产生结焦反应，同时给催化剂卸料带来了困难。有专利采用向反应器通入空气烧焦后，卸出催化剂的方法，增加了操作费用和不安全性。
本发明的目的是在于避免上述脱氢反应装置的不足而提出一种高效的脱氢反应装置。本发明的目的是这样达到的：通过取消原径向床的顶部密封及其上部的不开孔区；适当调整床层下部的开孔位置，在催化床中造成一种与床层边界相适应的多维流动，这种流动方式能够最大限度地消除催化床中存在的滞流区，从而提高反应器的生产能力和催化剂的利用率。与本发明共提出了四个目的。
本发明的第一个目的是提出一个生产能力高、催化剂利用率高、选择性高的反应装置；
本发明的第二个目的是提出一个结构简化的反应装置；
本发明的第三个目的是提出一个装卸催化剂方便的反应装置；
本发明的第四个目的是提出一个比径向反应器具有更低压降的反应装置。
从乙苯脱氢制苯乙烯脱氢部分的原则流程(参见图1A)，可以得出其装置的核心部分是脱氢反应器(4)、(7)。因此，脱氢反应器性能的提高和改进将决定整个装置的效率。通常为了减少反应物流在被加热后到催化床的时间，常将混合器(2)和脱氢反应器(4)结合到一个设备上，在此称之为第一级脱氢反应器；将段间再热器(5)和反应器(7)结合到一个设备上，在此称之为第二级脱氢反应器。本发明的目的就是通过对第一级脱氢反应器和第二级脱氢反应器的改进来实现的。
第一级脱氢反应器可以采用图2或图3所示的方案。以图2为例，反应器有一个承受压力的壳体，壳体分为上部壳体(FS2)和下部壳体(FS1)，上部壳体上有一个反应产物的出口，下部壳体上有一个过热蒸汽的入口和一个乙苯蒸汽和水蒸气混合物的入口。上部壳体内有两个共轴的多孔壁(FT1、FT2)，它们和上部壳体的底部构成催化剂筐，其间填充催化剂构成催化床(FC)；下部壳体内有一个混合器。乙苯和水蒸汽的混合物流(1)的入口在第一脱氢反应器下部壳体(FS1)的一侧，过热蒸汽(3)的入口在反应器下部壳体(FS1)的底部；也可以是过热蒸汽(3)的入口在反应器下部壳体(FS1)的一侧，乙苯和水蒸汽的混合物流(1)的入口在反应器下部壳体(FS1)的底部；两物流进入混合器(M1)混合均匀后，进入环形流道(FA1)，经分流全部物流斜向上流动通过催化床(FC)而汇集于环形流道(FA2)中；在环形流道(FA2)中的物流向上流动经反应器上部壳体(FS2)的顶部出口流出反应器。
在反应器上部壳体(FS2)中插有两个沿其高度基本开孔的多孔壁(FT1、FT2)，在两个多孔壁构成的空间中装填有的催化剂，从而构成催化床(FC)，在两个多孔壁的上部也就是催化剂(FC)的顶部通常是完全敞开的，有时也可以设置一个用于调节气体流量的多孔板(FT3)。通常两个多孔壁的开孔区域的高度并不相等，内多孔壁(FT1)的开孔区起始端位置要比外多孔壁(FT2)的开孔区起始端位置低，两者的高度差ΔH需根据催化剂和装置的规模来决定，通常ΔH＝(0.2～5)×床层的厚度；位于内多孔壁(FT1)的开孔区末端位置要比位于外多孔壁(FT2)的开孔区末端位置低，两者的高度差应与所选用反应器上部壳体(FS2)的封头在这两个位置上的高度差相一致。反应物流由内向外、向下而上通过由此两多孔壁构成空间中的催化床(FC)时，其流动方式既不是径向流动也不是轴向流动，而是一种与构成催化床边界相适应的多维流动；这种流动方式能够最大限度地消除催化床(FC)中存在的滞流区，从而提高反应器的生产能力和催化剂的利用率。
在内多孔壁(FT1)中间可以设置(FD1)或不设置导流体(FD1)，从而构成环形流道(FA1)，反应物流在此分流进入催化床：在外多孔壁(FT2)和反应器上部外侧(FS2)之间可以设置导流体(FD2)或不设置导流体(FD2)，从而构成环形流道(FA2)，反应产物流由催化床出来在此集流。在此种形式的反应器中流体分布的原则并非是通常所说的流体沿轴向均布，而是以流体沿各特征流线流动的停留时间基本相等为原则的，从而有意造成流体沿轴向的不均匀分布。
构成催化床筐架的多孔壁(FT4、FT5)也可采用如图3所示的锥形孔板，其所围的空间装填差催化剂就构成了催化床(FC1)，在此催化床(FC1)的上部通常是敞开的，有时也可设置一个用于调节气体流量的多孔板(FT6)。通常多孔壁(FT4)，(FT5)沿其高度基本开孔，但开孔区域的高度并不相等，通常(FT4)开孔区起始端位置要比(FT5)开孔区的起始端位置低，两者的高度差ΔH＝(0.2～5)×床层的厚度；(FT4)开孔区末端的位置要比(FT5)开孔区末端的位置低，其高度差要与反应器底部在此两个位置的高度差相一致。一般而言由此构成的反应器可以和图2所示的反应器取得类似的或更好的效果，但结构稍复杂。
第二级脱氢反应器可采用图4或图5所示的方案。以图4为例，反应器有一个承受压力的壳体，壳体分为上部壳体(SS1)和下部壳体(SS3)以及连接两者的锥形段(SS2)。上部壳体(SS1)上有一个反应物的入口，下部壳体(SS3)上有一个反应产物的出口。上部壳体(SS1)内是一个再热器：下部壳体(SS3)内有两个共轴的多孔壁(ST1、ST2)，它们和上部壳体的下封头共同构成催化剂筐，其间填充催化剂构成催化床(SC)。上一级脱氢反应器出来的反应物流进入第二级脱氢反应器上部的换热器的管程，与加热介质(6)间接换热，其加热流程采用并流或逆流。被加热的反应物流向下流动进入位于下部的催化床(SC)。反应后的物流由反应器下部壳体(SS3)的出口流出。
反应器上部壳体(SS1)内是一个换热器，反应器下部壳体(SS3)内有一个催化床(SC)，两个壳体之间有一个锥段(SS2)连接。之所以如此安排是为了再热后的反应物流能迅速地进入催化床(SC)，从而避免或减少反应物流的高温裂解副反应。上部壳体(SS1)内的换热器可有多种形式，可以采用通常所用的挡板式换热器，如图5所示；也可采用浮头式换热器，如图6所示。与现有装置相比将大大简化换热器结构，节省设备投资。在反应器下部壳体(SS3)内插有两个沿其高度基本开孔的多孔壁(ST1，ST2)，在两个多孔壁构成的空间中装填有催化剂，从而构成催化床(SC)，在催化床(SC)的顶部通常是完全敞开的，有时也可以设置一个用于调节气体流量的多孔板(ST3)。通常两个多孔壁的开孔区域的高度并不相等，位于内多孔壁(ST1)的开孔区起始端位置要比位于外多孔壁(ST2)的开孔区起始端位置高，两者的高度差ΔH需根据催化剂和装置的规模来决定，通常ΔH＝(0.2～5)×床层的厚度；位于内多孔壁(ST1)的开孔区末端位置要比位于外多孔壁(ST2)的开孔区末端位置低，两者的高度差应与所选用反应器下部壳体(SS3)的封头在这两个位置上的高度差相一致。反应物流由内向外、向上而下通过由此两多孔壁构成空间中的催化床(SC)时，其流动方式既不是径向流动也不是轴向流动，而是一种与构成催化床边界相适应的多维流动；这种流动方式能够最大限度地消除催化床(SC)中存在的滞流区，从而提高反应器的生产能力和催化剂的利用率。
构成催化床筐的多孔壁(ST4、ST5)也可采用如图5所示的锥形孔板，其所围的区域装填差催化剂就构成了催化床(SC1)，在此催化床(SC1)的上部通常是敞开的，有时也可设置一个用于调节气体流量的多孔板(ST6)。通常多孔壁(ST4)，(ST5)沿其高度基本开孔，但开孔区域的高度并不相等，通常(ST5)的开孔区起始端位置要比(ST4)的开孔区起始端位置低，两者的高度差ΔH＝(0.2～5)×床层的厚度；(ST4)开孔区末端位置要比(FT5)开孔区末端的高度低，同样地其高度差要与反应器底部在此两个位置的高度差相一致。一般而言由此构成的反应器可以和图5所示的反应器取得相同的或更好的效果，但结构较复杂。
多孔壁可以采用多种形式。图7是紧贴的双层多孔板，它是由一层较簿的多孔板(PA1)一层较厚的多孔板(PA2)紧贴焊接构成分，通常较簿的多孔板(PA1)位于紧邻催化床的一侧。多孔板的孔的大小要小于催化剂的粒度，孔的形式可有园孔或长园孔或它们之间的各种组合，多孔板(PA1)的开孔率在0.5～40％的范围之内；多孔板(PA2)通常开园孔，开孔率在0.5～40％范围之内。图8是架空的双层多孔板，它是由一层较簿的多孔板(PA3)和一层较厚的多孔板(PA4)及它们之间将两者分开及焊接在一起的支撑条组成。通常较簿的多孔板(PA3)位于紧邻催化床的一侧。多孔板的孔的大小要小于催化剂的粒度，孔的形式可有园孔或长园孔或它们之间的各种组合，多孔板(PA3)的开孔率在0.5～40％的范围之内；多孔板(PA4)通常开园孔，开孔率在0.5～40％范围之内。图9是由内置框架支撑外包多孔板的盒子板，其内置的框架起支承自重和催化剂侧压的作用，其外包的多孔板(PA5)起防止催化剂落入流道的作用，因此多孔板的孔的大小要小于催化剂的粒度。多孔板(PA5)的开孔率在0.5～40％的范围之内。图10是波纹板，它是将多孔板压成波纹形而制成的，其波纹和壳体构成的空间作流道供物流流动所用，其多孔板起防止催化剂落入流道的作用，多孔板的开孔率在0.5～40％的范围之内。图11是多孔板和格栅，一般较厚的多孔板起支撑催化剂侧压的作用，格栅起防止催化剂落入流道的作用，所以格栅的缝隙要小于催化剂粒度。多孔板的开孔率在0.5～40％的范围之内，格栅的孔隙率在10～60％。
本反应装置用于现有乙苯脱氢制苯乙烯装置的改造，在相同的工艺条件下，可以将生产能力提高5～20％；催化剂利用率提高5～20％，转化率提高1～4％；本反应装置简化了段间再热器的结构，节省了设备投资；本装置取消了原径向床的机械密封，简化了结构，同时便于催化剂的装填；本反应装置改变了物流流动的方式，将原径向流动改为多维流动，使反应物流在催化床中的分布更合理，消除了滞流区，选择性提高了约0.5～2.0％，同时消除了结焦区，便于催化剂的卸出；本反应装置压降为原径向床的80～95％，有明显的节能效果。
本发明也可用于各种工艺流程的新装置的建设，例如应用于三级反应、二级段间再热流程(如图12所示)，同样能够获得高效的效果。
本发明也可应用于其他烃的脱氢装置，同样能够获得高效的效果。
附图及其说明
附图1A，常见脱氢反应装置的原则流程
附图1B，径向床结构简图
附图2，第一脱氢反应器方案一
附图3，第一脱氢反应器方案二
附图4，第二脱氢反应器方案一
附图5，第二脱氢反应器方案二
附图6，浮头式换热器
附图7，紧贴双层多孔板
附图8，架空双层多孔板
附图9，盒子板
附图10，波纹板
附图11，多孔板和格栅
附图12，三级反应二段再热流程
实施例
在一个年产3万吨苯乙烯的乙苯脱氢装置中，第一级脱氢反应器直径2400mm，催化床总高4350mm，床层厚度600mm，多孔壁开孔率30～40％：第二级脱氢反应器直径2400mm，催化床总高4300mm，床层厚度600mm，多孔壁开孔率30～40％。催化剂使用上海石油化工研究院的GS-05催化剂。
第一级脱氢反应器操作压力为0.7atm，入口温度600-630℃，水油比1.5，乙苯投料量约8m3；第二级脱氢反应器操作压力为0.6atm，入口温度610～640℃。对第一级脱氢反应器和第二级脱氢反应器出口产物分析得出，第一级脱氢反应器选择性98～99％，转化率36-42％；第二级脱氢反应器选择性97～99％，转化率36～40％；反应系统总的选择性96～98％，转化率64～70％。反应系统压降小于20KPa。
Claims (4)
1.一种乙苯脱氢制苯乙烯的装置，它是由脱氢部分和分离部分组成的，其脱氢部分是多级反应器组成的，其特征是：
第一级脱氢反应器是由以下构件组成的：
有一个承受压力的壳体，壳体分为上部壳体(FS2)和下部壳体(FS1)，上部壳体上有一个一级反应产物的出口，下部壳体上有一个过热蒸汽的入口和一个乙苯蒸汽和水蒸气混合物的入口；
上部壳体内有两个共轴的多孔壁，它们和壳体底部构成催化剂筐，其顶部通常是完全敞开的；
两个多孔壁的开孔区域的高度并不相等，内多孔壁的开孔起始端位置要比外侧的多孔壁的开孔起始端位置低，两者的高度差ΔH＝(0.2～5)×床层的厚度；
多孔壁是圆柱形或锥形；
多孔壁是紧贴双层多孔板、架空双层多孔板、盒子板、波纹板或格栅；
第二级脱氢反应器或在其以后的各级反应器是由以下构件组成的：
有一个承受压力的壳体，壳体分为上部壳体(SS1)和下部壳体(SS3)和连接两者的锥段(SS2)，上部壳体上有一个一级反应产物的入口，下部壳体上有一个反应产物的出口；
下部壳体内有两个共轴的多孔壁，它们和下部壳体的下封头共同构成催化剂筐，其顶部是完全敞开的；
两个多孔壁的开孔区域的高度并不相等，内侧的多孔壁的开孔起始端位置要比外侧的多孔壁的开孔起始端位置高，两者的高度差ΔH＝(0.2～5)×床层的厚度；
多孔壁是圆柱形或锥形；
多孔壁是紧贴双层多孔板、架空双层多孔板、盒子板、波纹板或格栅；
反应器上部壳体内的换热器是固定挡板式或浮头式；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：第一级脱氢反应器的催化剂筐的顶部设一多孔板。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：第二级脱氢反应器及其后的各级反应器催化剂筐的顶部设一多孔板。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是：构成催化剂筐的内圆柱形多孔壁内设导流体或上部壳体和外圆柱形多孔壁内设导流体。
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