TW526094B - Improved apparatus for dehydrogenation of ethylbenzene to styrene - Google Patents

Description

_____________ 137 _____________ 137 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526094 A7 五、發明說明（1 ) 發明背景 本發明係關於苯乙烯製造領域，並且更特別揭示用於 將乙苯脫氫爲苯乙烯單體之裝置，其包括反應器容器。 在苯乙烯製造技藝中已熟知在約1 0 0 0 °F爲範圍之 上昇溫度下及以約1 0至2 0磅/平方英吋面積之壓力使 乙苯流過脫氫觸媒（如氧化鐵）反應.，以汽提在苯環上的 乙基之氫，形成苯乙烯分子。其正常係在也常被稱爲E B 脫氫反應器之苯乙烯輻形反應器中進行。脫氫反應器通常 具有尺寸範圍非常大的拉長型圓筒狀垂直結構，其直徑係 從約5至3 0英呎或更大及長度係從約1 0至1 〇 〇英呎 或更長。這種反應器的正規構造會允許乙苯氣體以位於垂 直反應器底部中央的入口進料，於是氣體會向上流經環形 區，以輻射狀向外通過氧化鐵或其它適合的脫氫觸媒之多 孔狀觸媒床，並接著向上通過外環形區，在反應器殼頂端 排出。因爲乙苯以輻射方向流過觸媒床，故有時將這些反 應器視爲'N輻形〃反應器。 使輻形反應器尺寸在正規上要合乎使得在觸媒床內部 的環形流動區與關於將乙苯輸送至反應器之入口管之橫截 面流動區有某種相對比例値。在觸媒床內部的環形流動區 應該以大於流動入口管之橫截面流動區較佳。因爲這些反 應器經延長之垂直長度，故到達反應器底部之入口管必須 成爲相對陡峭的9 0度輻射，並且造成的效應是以左右分 布不均流過反應器容器。理論上到達反應器之入口管在進 入反應器之前應該是相當長的垂直管，但是由於其物理構 裝--------訂--------- ^9— * 為 * * (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） = 4-^ 526094 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7_,_ 五、發明說明（2 ) 造，這是不可能，因爲反應器經延長之垂直長度。 也由於流過經延長之反應器垂直長度之流動本性，自 縱向或軸向流動轉變成輻射或橫向流動及接著轉回縱向流 動，故在熟知的反應器容器中，自觸媒床頂端流至底部之 流速會變化很大，於是在那些具有最大流速之反應器.區域 內使觸媒壽命降低。已由實驗及流速.測量發現在輻形反應 器中流過觸媒床的最高進料速度通常發生在反應器頂端附 近，流過觸媒床的最低速度通常發生在靠近入口管的反應 器底部附近。增加觸媒床頂端的速度及降低在觸媒床底部 的速度會造成大大地縮短在反應器頂端附近的觸媒壽命， 並迫使爲了使觸媒再生而關閉反應器，其比正常預期的更 快。 因此，希望改良在反應器中的軸向與垂直兩個方向之 流動。在1 9 9 4年1 0月2 5日頒予Butler等人及指定 F i n a T e c h η ο 1 〇 g y，I n c.之美國專利申請案第 5 ’ 3 5 8，6 9 8號揭示一種利用置換圓筒改良在脫氫 反應器中的流動之方法。將該專利之揭示全文倂入本文以 供參考。雖然以‘ 6 9 8專利指導之方法達到流體流動的 改良作用，但是仍需要進一步改良觸媒效率之改良作用。 本發明槪述 本發明係揭示一種脫氫反應器容器裝置，其包含置換 圓筒及利用在這種置換圓筒外部特殊的折流作用，以減少 流過反應器高度的垂直流動差異。將擋板附著在置換圓筒 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A,1規格（210 X 297公釐） 巧- _~ --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526094 A7 _ B7 五、發明說明（3) 上，沒有必要拆開反應器。將擋板附著在置換圓筒外部特 殊的位置上，以降低在反應器較高的流速區之流速。在一 個具體實施例中，將至少兩個擋板加在反應器的上半部， 以允許更均勻的流體流經反應器。 根據本發明的一個具體實施例，將現有的乙苯脫·氫反 應器翻新改進，以改良流體流動及延.長觸媒壽命。反應器 的翻新改進以分析現有的反應器條件及觸媒裝載開始。模 擬流經反應器之流體流動。一旦模擬條件反映出實際的操 作時，則模擬流體流動的改良作用。該改良作用包含將擋 板加在置換管柱出現較高的流體流速之位置上。以模擬方 式決定擋板的位置、尺寸及數量，以提供儘可能均勻的流 體流動。在模擬之後，將實際的擋板加在置換管柱的外面 ，不要拆開反應器。較佳地是將擋板加在反應器的上半部 及延伸不超過由置換反應器至觸媒床內壁之距離的一半。 該方法會達到適宜的壓力降及同時將其降至最小。 圖形的扼要說明 圖1係例證根據本發明的一個具體實施例之反應器容 器及擋板位置之橫截面圖式圖形。 圖2係展示在根據本發明修改之反應器中的流體流動 的常態。 詳細說明 利用更大的反應器製造苯乙烯己成爲工業上的趨勢， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 裝--------訂--------- /4·*- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526094 A7 _____ B7 五、發明說明（4) 以縮減操作成本。雖然以本發明說明關於形成苯乙烯之乙 苯脫氫反應器，但是本發明適用於改良具有固定觸媒床之 大型反應器的操作。 圖1是E B脫氫反應器容器1 0之圖式橫截側面圖， 其具有拉長型圓筒狀外殻1 1 ，以該外殻圍住以同心.軸位 於圓筒狀容器1 1內部之圓筒狀內置.換元件1 2。容器 1 1與置換元件1 2通常是正圓形的圓筒，其表示以垂直 於這兩個容器之縱中央線觀察之橫截面圖應該是圓形的。 將置換圓筒1 2以同軸方式安置在容器1 1內較佳，其表 示兩個圓筒狀結構之中央縱軸是一致的。將具有大的橫截 面之入口管1 3與在殻1 1底部形成的中央入口開口 1 4 連接。入口管1 3也具有圓筒狀橫截面較佳。 在容器1 0內以同軸排列方式放置的圓筒1 2具有形 成置換圓筒周圍的環形觸媒區1 8之作用。可在觸媒床外 壁上形成一系列視需要向外輻射延伸的流動擋板，以向外 輻射延伸會進一步引導氣體流動流經觸媒床及引導其進入 輻射流動方向，藉以避免縱向流動及進一步順暢流過觸媒 床。一旦安裝這些觸媒床擋板時，則不可能以短的下落時 間及不拆開反應器的方式改變位置。 觸媒床1 8包含以衝孔或多孔狀內壁與類似的多孔或 衝孔狀外壁組成的同心圓筒狀觸媒殻。較佳地是觸媒殻足 以使流動達到最大及將脫氫觸媒仍保留在內壁與外壁之間 。在脫氫法中所使用的部份典型的觸媒是那些由United Catalyst (史提羅麥克史（Styromax )系列）及由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 装--------訂--------- S1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526094 A7 -----— B7 五、發明說明（5)

Criterion (如維西凱特（Versicat )系列）所銷售的。這 些可以是氧化鐵型式或觸媒的其它脫氫型式。將觸媒粒子 的形狀及尺寸加以變化，並可能影響反應器中的流體流動 〇 使入口管1 3與介於置換圓筒1 2與觸媒床1 8.之間 的環形區2 1 (內環）之流動區尺f大小在約2比1之範 圍內較佳，以環形區2 1具有約2倍的入口管1 3之橫截 面積値。而且’在介於觸媒床1 8與容器1 1之間的環形 區2 2 (外環）相對較窄及應該不允許有充份的空間供在 該區域內後續的修改或工程。爲了在容器壁1 1內部進行 任何工程，則必須取出觸媒床1 8。這說明了大量的成本 及長的下落時間。以出口管5及開口 6提供自反應器取出 產物之方法。根據本發明的一個具體實施例展示擋板3 0 、3 1及3 2。這些擋板會影響經過反應器之流動，並且 不會產生達到與任何可能出現在入口管1 3的擋板或在觸 媒盤上的擋板相同功能之效果。 由以下的討論可看出本發明特別適合於修改現有的反 應器。根據熟知的方法以現有的反應器進行穩定態流動模 擬作用。在一個具體實施例中，利用二次軸對稱反應器模 型進行冷流動。將幾何學分成約1 4，0 0 0個六面體小 室。在假設工廠中利用來自實際的歷史數據之溫度、分子 量及比熱平均値。以下的表1展示典型的操作條件。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526094 A7 五、發明說明（6 ) 表1 流動，膀/小時 500,000 出口壓力，磅/平方英吋面積 8-14 平均溫度，°F >1000 平均分子量 25.9-26.2 平均黏度，釐泊 0.003 平均比熱，焦耳/公斤°c 2400-2500 也考慮到觸媒床多孔性。其係斟酌觸媒形狀及粒子尺 寸。考慮各種包括平滑狀、有形狀及稜紋狀型式之觸媒。 觸媒片直徑以從3 - 3 · 5毫米爲範圍，具有從4 一 9毫 米之片長度。觸媒床密度從7 0變化至9 5磅/立方英呎 。觸媒床多孔性會在反應器操作期間改變，在實際操作結 束時達到其最低値。 計算在反應器幾何學內的每一個小室之速度分布及壓 力。在本技藝中已熟知用於流體流動模擬作用之計算，而 達成這些計算之方法不是本發明的主題。 以類似於圖1所展示之反應器（但是沒有擋板3 0、 3 1及3 2 )之流動分布狀態顯示在反應器床的頂端 (2 0 % )及底部（2 0 % )係以比正常的L H S V更高 的速度操作。另一方面，中段6 0 %係以比正常的 L H S V更低的速度操作。因此，在反應器床下半部以距 離爲函數之流動會降低及在反應器床上半部之流動會增加 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526094 A7 B7 五、發明說明（7) 。在上半部的流動增加係歸因於外環內具有比在內環內更 高的壓力降。在下半部的流動降低係歸因於內環壓力降超 過外環。 經測定用於校正翻新改進之現有的反應器之流體流動 最好的方法是將指定尺寸之擋板安置在置換圓筒的特殊高 度上，以提供如此接近於均勻的流體4流經反應器。在內環 的頂端切面內加入環或擋板會增加內環壓力降，以配合在 外環的壓力降。以擋板或環的安置及數量考慮觸媒床流化 作用。除了使壓力降至最低之外，本發明的一些需求包括 適宜的壓力降。換言之，以加入擋板增加在反應器中的壓 力降。應該以加入擋板使壓力降的增加降至最小及達到最 大的流體流動常態化效應。此外，最好限制延伸至反應器 之擋板不超過由置換圓筒外壁至觸媒床內壁之距離的一半 ，即一半的內環寬度。在用於流體流動常態化作用之模擬 溶液中涵蓋這些結合因素。 允許以加在置換圓筒（圓筒1 2 )外表面上的擋板或 環修改反應器流體流動，沒有必要取出置換圓筒或觸媒盤 或結構。置換圓筒具有充份的寬度，以供人用的通道切入 頂端及在置換圓筒的外部進行工程。在必要的位置切開圓 筒壁，並加入擋板及在內部焊接。沒有必要拆解任何反應 器，並可以最短的下落時間進行改變。 根據本發明的一個具體實施例分析及修改現有的乙苯 脫氫反應器。反應器空間具有6 2英呎高度，6 0英吋直 徑入口及8 8英吋直徑出口。反應器具有1 3 , 5英呎內 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） - -----------^--------^---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526094 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8) 部直徑。置換圓筒之外部直徑是5 · 7 5英呎。觸媒床具 有7英呎5 · 2 5英吋內徑及1 2 · 5英呎外直徑。反應 器具有6英吋深度之外環。在操作時，該反應器具有超過 5 0 0，〇 〇 0磅/小時之流速。可自尺寸觀察出在反應 器內部有效的空間不允許供個人在有效的空間內工作之餘 地。任何的系統修改應該需要拆解反.應器。這已是事實， 直到本發明爲止。爲了根據其操作參數改良該反應器之流 體流動，將三個擋板或環安裝在置換反應器的外表面反應 側面）上。在圖1中，將擋板以項目3 0、3 1及3 2展 示。將頂環30安裝在49英呎的高度上及以7.5英吋 延伸至反應器中。將中環或擋板3 1安裝在4 6 . 7 5英 呎的高度上及以6 · 2 5英吋延伸至反應器中。將底環 3 2安裝在4 0英呎的高度上及以5 · 0英吋延伸至反應 器中。這些擋板會造成流體以更均勻流經反應器。可根據 觀察，當反應器的高度增加時，則將擋板加在該反應器的 上半部，增加向反應器的延伸。改良流體流動的均勻性會 使觸媒壽命及效率增加。 圖2展示在以上的實例中加入擋板的效應。以實線展 示在加入擋板之前以垂直方向流經反應器之流體流動。座 標圖展示以上在反應器底下部份及頂端部份正規的流體流 動。加入擋板會使頂端（擋板位置）的流動常態化及改良 流經中段的流體流動。 因此，以上述的圖形及其對應之說明所揭示之本發明 係提供將乙苯脫氫爲苯乙烯之方式及裝置，該方法及裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297.公釐） -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526094 A7 __ B7 五、發明說明（9) 享有延長觸媒壽命及更精密控制在上下一致的反應器橫截 面組態不同的點上的流速之優點。熟知的反應器受短的觸 媒壽命之苦，因爲以不一致的流速流過觸媒床不同的切面 〇 也發現流經觸媒床頂端的流速比流經床中段的流.速快 1 . 5倍至2 · 5倍爲範圍。因此，應明白的是主反應器 中使用不均勻的觸媒會依次直接造成遠比預期更短的觸媒 壽命。 因此，本發明係揭示會明顯減低垂直流速變化之反應 器組態。其係由沿著置換反應器外壁使用的擋板達成的。 利用流動模擬決定擋板數量、位置及尺寸。 在典型的操作中，將乙苯儲料經由進料供應線1 3經 入口區1 4供應至反應器容器中。進料物會自此流入圍繞 觸媒床1 8之反應器中。在反應器中的操作條件係以約 900°至1 225 °F之溫度範圍及約8 — 22磅/平方 英吋面積之壓力範圍較佳。在反應器中的流速以從約 1 0 0至4 0 0 f p s爲範圍，流經反應器的總流速以約 2 0 0 至 3 0 0 f p s 較佳。 雖然已在本文說明本發明較佳的特定具體實施例，以 提供對本發明槪括原理的暸解，但是應認知的是可在所說 明的脫氣反應益組合中以不違背這些原理的方式完成不同 的變化及創新。例如，雖然以三個擋板加在反應的上半部 的方式說明較佳的具體實施例，但是可根據特殊的反應器 改變擋板數量及位置。顯然也可以利用不同的折流形狀達 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 褒--------叮---- M «· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526094 A7 _；__B7_ 五、發明說明（1〇) 到流動常態化作用。在本技藝的熟練者可以明白其它的變 化，因此聲明本發明係涵蓋本文以例證爲目的所揭示的本 發明特殊實例所有的變化及修改，其不構成違背本發明@ 精神及範圍。 -----------------I I ------I--^*^1 (請先閲讀背面Μ浲意事頊并璘寫本寅) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 fi|一 本代m 又過用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -丨0 -

Claims (1)

1. 526094

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 l.一種包含外反應容器、內置換圓筒及圍繞該具有 上半部及下半部之置換圓筒的環狀觸媒床之氣流觸媒床反 應器組合，其改良處包含將至少一個擋板加在置換圓筒的 上半部，以改良在反應容器中及流過觸媒床之流體流動均 勻性。 2 .根據申請專利範圍第1項之組合，其中將至少三 個擋板加在置換圓筒中。 I 3 .根據申請專利範圍第1項之組合，其中將環形觸 媒床放置在距置換圓筒一段距離處，且其中該至少一個擋 板係延伸至反應容器中，其係以置換圓筒至觸媒床的一半 距離爲其延伸之限制距離。 4 · 一種改良在氣相反應器中的流體流動均勻性之方 法，該反應器包含外反應容器、具有上半部及下半部與反 應外表面及惰性內部空間之內置換容器和環形觸媒床，該 方法包含： 利用實際的反應器條件進行流體流動模擬作用； 將擋板加在置換反應器之外反應表面上，以改良模擬 之流體流動；及 將擋板加在置換圓筒中，其係藉由進入圓筒的內部惰 性空間及將擋板自內部惰性空間附著至反應外表面。 5 ·根據申請專利範圍第4項之方法，其中將三個擋 板加在置換圓筒的上半部及其中以不拆開反應器或觸媒床 的方式加入該擋板。 6 ·根據申請專利範圍第4項之方法，其中環形觸媒 --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14- 526094 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 床與置換圓筒相距特定的距離及其中將擋板以不超過至觸 媒床的一半距離延伸至反應容器中。 7 · —種改良在乙苯脫氫反應器中的觸媒壽命之方法 ，此反應器包含 外反應容器，其具有至少5 〇英呎的高度及至少1 0 英呎之內部直徑； 環形觸媒床，其延伸過至少7 0 %之反應器高度；及 圓筒狀置換容器，其具有至少4英呎之內部直徑，至 少7 0%反應器高度之高度，及曝露於反應器內的反應之 外表面及與反應器內任何反應隔離的內部空間； 該方法包含 利用實際的反應器條件進行流體流動模擬作用； 將至少兩個擋板加在置換反應器之外反應表面上，以 改良模擬之流體流動；及 將擋板加在置換圓筒中，其係藉由進入圓筒的內部惰 性空間及將擋板自內部空間附著至反應外表面。 8 ·根據申請專利範圍第7項之方法，其中將三個擋 板加在置換圓筒約6 0%至9 0%高度之位置上。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） - 15-