专利名称：用于乙苯脱氢制备苯乙烯的改进设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及苯乙烯制造的领域，具体涉及用于乙苯脱氢为苯乙烯单体的包括反应器的设备。
苯乙烯生产领域皆知，可使乙苯在脱氢催化剂如氧化铁上，在约1000°F的升高温度和约10-20Psia压力下反应，从苯环上的乙基脱去氢，形成苯乙烯分子。通常是在苯乙烯径流式反应器(通常还称作EB脱氢反应器)中进行。脱氢反应器通常是一个长的直立圆筒结构，其尺寸很大，直径约为5-13英尺或更大，高度约为10-100英尺或更大。这种反应器的通常结构是在位于直立反应器底部中心的进气口通入乙苯气体，气体通过环形区域向上流动，并通过氧化铁或其它合适脱氢催化的多孔催化剂床径向向外流动，然后通过外环区域向上流动，从反应器壳的顶部排出。由于乙苯是径向流动通过催化剂床，这些反应器有时被称作“径流”式反应器。
通常，径流式反应器的尺寸应使催化剂床内流动环形面积与输送乙苯至反应器的进气管流动横截面积成一定的比例。催化剂床内的流动环形区域宜大于进气管流动横截区域。因为这样的反应器增加了垂直长度，通常连接在反应器底部的进气管必须以较陡的90°范围进入，产生的效果是在反应器中的流动左右分布不均。到反应器的进气管理想的应是一根直的垂直管，在进入反应器前有相当长的距离，但是因为机械构造上的限制，会由于增加了反应器垂直高度而不可能。
还因为在增加垂直长度的反应器内流动的性质，从纵向或轴向流动切换到径向或横向流动，然后又返回到纵向流动，在常规反应器中，从顶部到底部通过催化剂床的流速变化很大，因此导致在反应器中最大流速区域的催化剂寿命缩短。经实验和流速测量发现，在径流式反应器的催化剂床层中最大进料速度一般发生在靠近反应器的顶部，而催化剂床中的最小速度发生在接近进口管的反应器底部。在催化剂床上部流速的提高和在催化剂床下部流速的降低，会使靠近反应器顶部的催化剂寿命显著缩短，并使得为进行该反应器中催化剂再生而停车比通常要求的早得多。
结果，有必要改善反应器中轴向和垂直方向的流动。颁布于1994年10月25日的美国专利5,358,698(Bulter等)转让给了Fina Technology,Inc。该专利公开了一种通过使用一个排代圆筒(指在反应容器中放置的一个圆筒体，起排除占据一定空间的作用)来改善脱氢反应器中流动的方法。此专利揭示的内容参考结合于此。通过’698专利中揭示的方法虽然可以改善流体流动，但仍需要进行进一步的改进，以提高催化剂的效率。
本发明公开一种脱氢反应器装置，该装置包括一个排代圆筒，并在该圆筒外壁上使用了一些特定的挡板，其作用可减小在反应器高度上垂直流动的差异。挡板固定在排代圆筒上，不必拆卸该反应器。挡板在一些特定位置固定在排代圆筒外壁，以降低反应器较高流速区域的流速。一个实施方案中，在反应器上半部加上至少两个挡板，使流体更均匀地流过反应器。
根据本发明的一个实施方案，现有的一般脱氢反应器经翻新改进，可提高流速，延长催化剂寿命。翻新改进反应器，首先需分析现有反应器的条件和催化剂负荷。对反应器中流体的流动改善进行摹拟。一旦摹拟条件反映了实际操作后，就摹拟了流体流动的改进。这些改进包括在流速较高的位置在排代圆筒上加上挡板。通过摹拟确定挡板的位置、尺寸和数量，用以提供尽可能的均匀流体流动。进行了摹拟后，在排代圆筒外壁上，加上实际的挡板，此时不需要拆卸该反应器。挡板最好加在反应器上半部处，并延伸不超过从排代圆筒到催化剂床内壁距离的一半。这种方法可产生最佳压降，同时使其最小。
图1是本发明一个实施方案的反应器和挡板位置的截面示意图。
图2是本发明改进的反应器内归一化流速分布图。
工业中的趋势是为了降低操作成本，而采用较大反应器制造苯乙烯。虽然这里是针对乙苯脱氢形成苯乙烯的反应器描述本发明，但是本发明可用于改进具有固定催化剂床的任何大型反应器的操作。
图1是EB脱氢反应器10的截面图，该反应器有一个长的圆筒外壳11，在圆筒11内部同心地有一个排代内圆筒12。圆筒外壳11和排代圆筒12一般是直立圆筒，即垂直于这两个容器纵向中心线的横截面为圆形。排代圆筒12最好是共轴地位于容器11内，即两个圆筒结构的中心纵轴一致。有较大横截面积的进气管13连接到壳体11底部的中心进气口14。进气管13的横截面最好也为圆形。
在容器10内共轴安装的排代圆筒12，其作用是在排代圆筒周围形成一环形催化剂区域18。在催化剂床的外壁上或可形成许多径向向外延伸的流动挡板，径向向外延伸是进一步对气体通过催化剂床进行导向，并使它们径向流动，防止纵向流动，并使催化剂床中的流动更为稳定。一旦装了这些催化剂床的挡板，若不停工时间长和拆卸该反应器，就不能改变挡板位置。
催化剂床18是由穿孔或多孔的圆柱形内壁和同样是多孔或穿孔的圆柱形外壁同心构成的催化剂壳体。较好的，催化剂壳体应足以使流速最大，但又能在外壁和内壁之间保持住脱氢催化剂。脱氢过程常用的一些典型催化剂是UnitedCatalyst销售的催化剂(Styromax系列)和Criterion销售的催化剂(如Versicat系列)。这些可以是氧化铁类型或其它脱氢类型的催化剂。催化剂颗粒的形状和大小可以改变，会对反应器内的流动有一定影响。
进气管13的截面积与排代圆筒12和催化剂床18之间的环形截面积21(内环)的尺寸较好的是约2-1之比的范围，环形截面积约为进气管13截面积的两倍。而且，在催化剂床18和容器11之间的环形区域22(外环)比较窄小，没有足够的空间在该区域中进行改装或操作。要在容器壁11内部进行任何操作，必须除去催化剂床18。这就需要高成本和长的停工时间。出气管5和出气口6是供从反应器排出产物用的。图中表示了根据本发明一个实施方案的挡板30、31和32。这些挡板影响着通过反应器的气体流动，但与可能在进气管13中的挡板或催化剂盘中的挡板起的作用不一样。
由下面的讨论可知，本发明特别适用于对现有反应器进行改进。对一种现有反应器，按照已知的方法进行稳态流动摹拟。一个实施方案中，使用一个两维轴对称反应器模型进行冷态流动。几何空间中划分为约14000个六面体小室。采用从接受改装的装置过去实际操作数据得来的平均温度、分子量和比热。下表列出代表性的操作条件。
表1
还考虑了催化剂床的孔隙率。这就考虑了催化剂的形状和粒度。考虑了各种催化剂包括表面光滑的、成形的、棱条形的情况。催化剂颗粒直径为3-3.5毫米，长度为4-9毫米。这种催化剂床的密度为70-95磅/英尺3。催化剂床的孔隙率在反应器操作期间会改变，在操作终点达到其最小值。
计算了反应器几何体中每一小室内的速度和压力。流体流动摹拟的计算是本领域已知的，本发明不涉及其计算的方法。
对类似于图1所示，但没有挡板30、31和32的反应器的流动分布，表明反应器床上部的20％和下部的20％在大于标准LHSV下操作。而中间的60％在小于标准LHSV下操作。因此，在反应器下半部的流速随流动距离而下降，而在上半部的流速随流动距离而提高。上半部流速提高的原因是外环上压降比内环上的压降高的缘故。在下半部，流速提高的原因是内环上压降比外环高的缘故。
已经确定，对于改装一个现有反应器来说，改善气体流动的最好方法是在替换圆筒中，在一些特定高度位置装置一些特定尺寸的挡板，用以提供接近均匀的流动。在内环的上部加上环或挡板，可以提高内环的压降，与外环压降匹配。在决定挡板或环的位置以及数量时考虑了催化剂床的流态化。本发明的一些要求除了使压降最小外，还包括压降的优化。换句话说，加入挡板提高了反应器内的压降。挡板的安装应使压降增加最小和对气体流速均匀化产生最大的作用。另外，反应器中挡板的延伸长度应限制，不得超过排代圆筒外壁到催化剂床内壁距离的一半(内环宽度的一半)。在对归一化流速分布的摹拟解中包括了这些因素的组合。
在排代圆筒(圆筒12)的外表面上加上挡板或环，可以改善反应器的流体流动，而无需取出圆筒或催化剂的盘即结构。排代圆筒具有足够的直径，可以在其顶部切出一个操作通道(manway)，可以在排代圆筒内部进行操作。圆筒壁在要求的位置切开，从内部焊接上挡板。这样就不需要拆卸反应器，能在很短的停工时间内进行改装。
本发明的一个实施方案中，对现有的乙苯脱氢反应器进行了分析并改装。该反应器空间62英尺高，有直径60英寸进气口和直径88英寸的出气口。反应器内径为13.5英尺。排代圆筒的外径为5.75英尺。催化剂床内径为7英尺5.25英寸，外径为12.5英尺。反应器有一个6英寸宽的外环。操作中，该反应器流量超过500,000磅/小时。由这些尺寸可知，反应器内的可用空间不足以提供让人操作的空间。对该系统的任何改装都需要拆卸反应器，直到有了本发明后情况才有改变。要按照其操作参数改善这种反应器内的气体流动，在排代圆筒的外表面(反应面)上安装三个挡板或环。挡板在图1中所示为30、31和32。顶环30在49英尺高度安装，向反应器中延伸7.5英寸。中环或中挡板31在46.75英尺高度安装，向反应器中延伸6.25英寸。底环32在40英尺高度安装，向反应器中延伸5.0英寸。这些挡板使通过反应器的气体流动更加均匀。可知随着反应器高度增加，在这种反应器上半部所加上的挡板伸向反应器的长度要加长。对气体流动均匀性的改进就会提高催化剂寿命和效率。
图2所示是上述实施例中加上挡板的效果。实线显示在加上挡板前，流体以垂直方向通过反应器的流速。该图显示在反应器下部和上部的超过标准流速的情况。增加挡板后，在上部(挡板位置)的流速接近于标准，且提高了通过中部的流体流动。
因此，正如上面附图和相应的说明所描述的，本发明提供乙苯脱氢为苯乙烯的一种方法和设备，这种方法和设备具有延长催化剂寿命，在反应器横截面结构的上下各点能密切控制流速的优点。常规反应器则由于在催化剂床各部分的流速不一致，催化剂寿命就较短。
还发现，通过催化剂层顶部的流速是催化剂床中部流速的1.5-2.5倍。因此，可以认为反应器中催化剂的利用远不够均匀，这又直接影响到催化剂寿命，使其比预期值短得多。
作为结果，本发明公开的是一种明显降低垂直流速差异的反应器结构。通过使用在排代圆筒外壁上的挡板构成了这种结构。利用流动摹拟可确定挡板的数量、位置和尺寸。
在常规操作中，乙苯原料通过进料管13，经进料区14进入反应器。原料从催化剂床18周围进入反应器。反应器中的操作条件为温度在900-1225°F范围，压力约为8-22Psia。反应器内流速约为100-400fps，通过该反应器的较好总流速约为200-300fps。
尽管描述了本发明较好的实施方案，提供了对本发明基本原则的理解，但是应理解，在不偏离这些原则下，在所示脱氢反应器装置中可进行各种变动和修改。例如，尽管在上述较好的实施方案中，在反应器上半部加上三个挡板，但根据反应器的具体情况，挡板的数量和位置都可以改变。也可以使用不同形状的挡板达到流速均匀化。本领域的技术人员可以理解还可进行其它的改变，因此本发明包括了对在此为说明目的公开的实施例的所有未偏离本发明精神和范围的变动和修改。
权利要求
1．一种气流催化剂床反应器装置，包括外部反应容器、内部排代圆筒、和在具有上半部和下半部的排代圆筒周围的环形催化剂床，其改进包括在排代圆筒上半部加上至少一块挡板，用以改善反应器和催化剂床中流体流动的均匀性。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于在所述排代圆筒上加上至少三块挡板。
3．如权利要求1所述的装置，其特征在于所述环形催化剂床位于距排代圆筒一定的距离处，至少一块挡板向反应器延伸，其距离不超过排代圆筒到催化剂床距离的一半。
4．改善气相反应器中流体流动均匀性的方法，所述气相反应器包括外部反应容器、具有上半部和下半部与反应外表面和惰性内空间的排代圆筒以及环形催化剂床，所述方法包括下列步骤采用实际的反应器条件进行流体流动摹拟；在排代圆筒的反应外表面增加一些挡板，改进摹拟的流体流动；在排代圆筒上加上挡板，方法为进入圆筒的内部惰性空间，将挡板从内部惰性空间固定到反应外表面上。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于在所述排代圆筒的上半部加上三块挡板，加上所述挡板不需要拆卸反应器或催化剂床。
6．如权利要求4所述的方法，其特征在于所述环形催化剂床距排代圆筒有一定距离，挡板向反应器延伸的距离不超过到催化剂床距离的一半。
7．一种提高乙苯脱氢反应器中催化剂寿命的方法，所述反应器包括高度至少50英尺，内径至少10英尺的外部反应容器，延伸达到反应器高度至少70％的环形催化剂床，内径至少为4英尺，高度至少为反应器高度70％的排代圆筒，经受反应器中反应的外表面和与反应器内任何反应隔离的内表面；所述方法包括下列步骤采用实际的反应器条件进行流体流动摹拟；在排代圆筒的反应外表面加上至少两块挡板，改进摹拟的流体流动；在排代圆筒上加上挡板，方法为进入圆筒的内部惰性空间，将挡板从内部惰性空间固定到反应外表面上。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于在所述排代圆筒高度约60％-90％的位置上加上三块挡板。
全文摘要
本发明公开了提高气流催化剂床反应器装置的催化剂寿命和效率的方法。反应器包括外部反应容器、内部排代圆筒、和在排代圆筒周围的环形催化剂床。在排代圆筒的顶部一半加上至少一个挡板,改善反应器和催化剂床中气体流动的均匀性。还公开了改善气体流动均匀性的方法,包括采用实际反应器条件摹拟流体流动;在排代圆筒反应外表面上加上挡板,改进摹拟的流体流动。通过将挡板从内部惰性空间固定到反应外表面上,在排代圆筒上加上挡板。
文档编号B01J8/02GK1322701SQ0110475
公开日2001年11月21日 申请日期2001年2月22日 优先权日2000年2月29日
发明者K·E·普林斯, M·E·勒杜, H·图德, L·M·格雷米林 申请人:弗纳技术股份有限公司