專利名稱：用于乙苯脫氫制備苯乙烯的改進(jìn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及苯乙烯制造的領(lǐng)域，具體涉及用于乙苯脫氫為苯乙烯單體的包括反應(yīng)器的設(shè)備。
苯乙烯生產(chǎn)領(lǐng)域皆知，可使乙苯在脫氫催化劑如氧化鐵上，在約1000°F的升高溫度和約10-20Psia壓力下反應(yīng)，從苯環(huán)上的乙基脫去氫，形成苯乙烯分子。通常是在苯乙烯徑流式反應(yīng)器(通常還稱作EB脫氫反應(yīng)器)中進(jìn)行。脫氫反應(yīng)器通常是一個(gè)長(zhǎng)的直立圓筒結(jié)構(gòu)，其尺寸很大，直徑約為5-13英尺或更大，高度約為10-100英尺或更大。這種反應(yīng)器的通常結(jié)構(gòu)是在位于直立反應(yīng)器底部中心的進(jìn)氣口通入乙苯氣體，氣體通過環(huán)形區(qū)域向上流動(dòng)，并通過氧化鐵或其它合適脫氫催化的多孔催化劑床徑向向外流動(dòng)，然后通過外環(huán)區(qū)域向上流動(dòng)，從反應(yīng)器殼的頂部排出。由于乙苯是徑向流動(dòng)通過催化劑床，這些反應(yīng)器有時(shí)被稱作“徑流”式反應(yīng)器。
通常，徑流式反應(yīng)器的尺寸應(yīng)使催化劑床內(nèi)流動(dòng)環(huán)形面積與輸送乙苯至反應(yīng)器的進(jìn)氣管流動(dòng)橫截面積成一定的比例。催化劑床內(nèi)的流動(dòng)環(huán)形區(qū)域宜大于進(jìn)氣管流動(dòng)橫截區(qū)域。因?yàn)檫@樣的反應(yīng)器增加了垂直長(zhǎng)度，通常連接在反應(yīng)器底部的進(jìn)氣管必須以較陡的90°范圍進(jìn)入，產(chǎn)生的效果是在反應(yīng)器中的流動(dòng)左右分布不均。到反應(yīng)器的進(jìn)氣管理想的應(yīng)是一根直的垂直管，在進(jìn)入反應(yīng)器前有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，但是因?yàn)闄C(jī)械構(gòu)造上的限制，會(huì)由于增加了反應(yīng)器垂直高度而不可能。
還因?yàn)樵谠黾哟怪遍L(zhǎng)度的反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的性質(zhì)，從縱向或軸向流動(dòng)切換到徑向或橫向流動(dòng)，然后又返回到縱向流動(dòng)，在常規(guī)反應(yīng)器中，從頂部到底部通過催化劑床的流速變化很大，因此導(dǎo)致在反應(yīng)器中最大流速區(qū)域的催化劑壽命縮短。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和流速測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在徑流式反應(yīng)器的催化劑床層中最大進(jìn)料速度一般發(fā)生在靠近反應(yīng)器的頂部，而催化劑床中的最小速度發(fā)生在接近進(jìn)口管的反應(yīng)器底部。在催化劑床上部流速的提高和在催化劑床下部流速的降低，會(huì)使靠近反應(yīng)器頂部的催化劑壽命顯著縮短，并使得為進(jìn)行該反應(yīng)器中催化劑再生而停車比通常要求的早得多。
結(jié)果，有必要改善反應(yīng)器中軸向和垂直方向的流動(dòng)。頒布于1994年10月25日的美國(guó)專利5,358,698(Bulter等)轉(zhuǎn)讓給了Fina Technology,Inc。該專利公開了一種通過使用一個(gè)排代圓筒(指在反應(yīng)容器中放置的一個(gè)圓筒體，起排除占據(jù)一定空間的作用)來改善脫氫反應(yīng)器中流動(dòng)的方法。此專利揭示的內(nèi)容參考結(jié)合于此。通過’698專利中揭示的方法雖然可以改善流體流動(dòng)，但仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以提高催化劑的效率。
本發(fā)明公開一種脫氫反應(yīng)器裝置，該裝置包括一個(gè)排代圓筒，并在該圓筒外壁上使用了一些特定的擋板，其作用可減小在反應(yīng)器高度上垂直流動(dòng)的差異。擋板固定在排代圓筒上，不必拆卸該反應(yīng)器。擋板在一些特定位置固定在排代圓筒外壁，以降低反應(yīng)器較高流速區(qū)域的流速。一個(gè)實(shí)施方案中，在反應(yīng)器上半部加上至少兩個(gè)擋板，使流體更均勻地流過反應(yīng)器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，現(xiàn)有的一般脫氫反應(yīng)器經(jīng)翻新改進(jìn)，可提高流速，延長(zhǎng)催化劑壽命。翻新改進(jìn)反應(yīng)器，首先需分析現(xiàn)有反應(yīng)器的條件和催化劑負(fù)荷。對(duì)反應(yīng)器中流體的流動(dòng)改善進(jìn)行摹擬。一旦摹擬條件反映了實(shí)際操作后，就摹擬了流體流動(dòng)的改進(jìn)。這些改進(jìn)包括在流速較高的位置在排代圓筒上加上擋板。通過摹擬確定擋板的位置、尺寸和數(shù)量，用以提供盡可能的均勻流體流動(dòng)。進(jìn)行了摹擬后，在排代圓筒外壁上，加上實(shí)際的擋板，此時(shí)不需要拆卸該反應(yīng)器。擋板最好加在反應(yīng)器上半部處，并延伸不超過從排代圓筒到催化劑床內(nèi)壁距離的一半。這種方法可產(chǎn)生最佳壓降，同時(shí)使其最小。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的反應(yīng)器和擋板位置的截面示意圖。
圖2是本發(fā)明改進(jìn)的反應(yīng)器內(nèi)歸一化流速分布圖。
工業(yè)中的趨勢(shì)是為了降低操作成本，而采用較大反應(yīng)器制造苯乙烯。雖然這里是針對(duì)乙苯脫氫形成苯乙烯的反應(yīng)器描述本發(fā)明，但是本發(fā)明可用于改進(jìn)具有固定催化劑床的任何大型反應(yīng)器的操作。
圖1是EB脫氫反應(yīng)器10的截面圖，該反應(yīng)器有一個(gè)長(zhǎng)的圓筒外殼11，在圓筒11內(nèi)部同心地有一個(gè)排代內(nèi)圓筒12。圓筒外殼11和排代圓筒12一般是直立圓筒，即垂直于這兩個(gè)容器縱向中心線的橫截面為圓形。排代圓筒12最好是共軸地位于容器11內(nèi)，即兩個(gè)圓筒結(jié)構(gòu)的中心縱軸一致。有較大橫截面積的進(jìn)氣管13連接到殼體11底部的中心進(jìn)氣口14。進(jìn)氣管13的橫截面最好也為圓形。
在容器10內(nèi)共軸安裝的排代圓筒12，其作用是在排代圓筒周圍形成一環(huán)形催化劑區(qū)域18。在催化劑床的外壁上或可形成許多徑向向外延伸的流動(dòng)擋板，徑向向外延伸是進(jìn)一步對(duì)氣體通過催化劑床進(jìn)行導(dǎo)向，并使它們徑向流動(dòng)，防止縱向流動(dòng)，并使催化劑床中的流動(dòng)更為穩(wěn)定。一旦裝了這些催化劑床的擋板，若不停工時(shí)間長(zhǎng)和拆卸該反應(yīng)器，就不能改變擋板位置。
催化劑床18是由穿孔或多孔的圓柱形內(nèi)壁和同樣是多孔或穿孔的圓柱形外壁同心構(gòu)成的催化劑殼體。較好的，催化劑殼體應(yīng)足以使流速最大，但又能在外壁和內(nèi)壁之間保持住脫氫催化劑。脫氫過程常用的一些典型催化劑是UnitedCatalyst銷售的催化劑(Styromax系列)和Criterion銷售的催化劑(如Versicat系列)。這些可以是氧化鐵類型或其它脫氫類型的催化劑。催化劑顆粒的形狀和大小可以改變，會(huì)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)有一定影響。
進(jìn)氣管13的截面積與排代圓筒12和催化劑床18之間的環(huán)形截面積21(內(nèi)環(huán))的尺寸較好的是約2-1之比的范圍，環(huán)形截面積約為進(jìn)氣管13截面積的兩倍。而且，在催化劑床18和容器11之間的環(huán)形區(qū)域22(外環(huán))比較窄小，沒有足夠的空間在該區(qū)域中進(jìn)行改裝或操作。要在容器壁11內(nèi)部進(jìn)行任何操作，必須除去催化劑床18。這就需要高成本和長(zhǎng)的停工時(shí)間。出氣管5和出氣口6是供從反應(yīng)器排出產(chǎn)物用的。圖中表示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的擋板30、31和32。這些擋板影響著通過反應(yīng)器的氣體流動(dòng)，但與可能在進(jìn)氣管13中的擋板或催化劑盤中的擋板起的作用不一樣。
由下面的討論可知，本發(fā)明特別適用于對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)一種現(xiàn)有反應(yīng)器，按照已知的方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)摹擬。一個(gè)實(shí)施方案中，使用一個(gè)兩維軸對(duì)稱反應(yīng)器模型進(jìn)行冷態(tài)流動(dòng)。幾何空間中劃分為約14000個(gè)六面體小室。采用從接受改裝的裝置過去實(shí)際操作數(shù)據(jù)得來的平均溫度、分子量和比熱。下表列出代表性的操作條件。
表1
還考慮了催化劑床的孔隙率。這就考慮了催化劑的形狀和粒度?？紤]了各種催化劑包括表面光滑的、成形的、棱條形的情況。催化劑顆粒直徑為3-3.5毫米，長(zhǎng)度為4-9毫米。這種催化劑床的密度為70-95磅/英尺3。催化劑床的孔隙率在反應(yīng)器操作期間會(huì)改變，在操作終點(diǎn)達(dá)到其最小值。
計(jì)算了反應(yīng)器幾何體中每一小室內(nèi)的速度和壓力。流體流動(dòng)摹擬的計(jì)算是本領(lǐng)域已知的，本發(fā)明不涉及其計(jì)算的方法。
對(duì)類似于圖1所示，但沒有擋板30、31和32的反應(yīng)器的流動(dòng)分布，表明反應(yīng)器床上部的20％和下部的20％在大于標(biāo)準(zhǔn)LHSV下操作。而中間的60％在小于標(biāo)準(zhǔn)LHSV下操作。因此，在反應(yīng)器下半部的流速隨流動(dòng)距離而下降，而在上半部的流速隨流動(dòng)距離而提高。上半部流速提高的原因是外環(huán)上壓降比內(nèi)環(huán)上的壓降高的緣故。在下半部，流速提高的原因是內(nèi)環(huán)上壓降比外環(huán)高的緣故。
已經(jīng)確定，對(duì)于改裝一個(gè)現(xiàn)有反應(yīng)器來說，改善氣體流動(dòng)的最好方法是在替換圓筒中，在一些特定高度位置裝置一些特定尺寸的擋板，用以提供接近均勻的流動(dòng)。在內(nèi)環(huán)的上部加上環(huán)或擋板，可以提高內(nèi)環(huán)的壓降，與外環(huán)壓降匹配。在決定擋板或環(huán)的位置以及數(shù)量時(shí)考慮了催化劑床的流態(tài)化。本發(fā)明的一些要求除了使壓降最小外，還包括壓降的優(yōu)化。換句話說，加入擋板提高了反應(yīng)器內(nèi)的壓降。擋板的安裝應(yīng)使壓降增加最小和對(duì)氣體流速均勻化產(chǎn)生最大的作用。另外，反應(yīng)器中擋板的延伸長(zhǎng)度應(yīng)限制，不得超過排代圓筒外壁到催化劑床內(nèi)壁距離的一半(內(nèi)環(huán)寬度的一半)。在對(duì)歸一化流速分布的摹擬解中包括了這些因素的組合。
在排代圓筒(圓筒12)的外表面上加上擋板或環(huán)，可以改善反應(yīng)器的流體流動(dòng)，而無需取出圓筒或催化劑的盤即結(jié)構(gòu)。排代圓筒具有足夠的直徑，可以在其頂部切出一個(gè)操作通道(manway)，可以在排代圓筒內(nèi)部進(jìn)行操作。圓筒壁在要求的位置切開，從內(nèi)部焊接上擋板。這樣就不需要拆卸反應(yīng)器，能在很短的停工時(shí)間內(nèi)進(jìn)行改裝。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)現(xiàn)有的乙苯脫氫反應(yīng)器進(jìn)行了分析并改裝。該反應(yīng)器空間62英尺高，有直徑60英寸進(jìn)氣口和直徑88英寸的出氣口。反應(yīng)器內(nèi)徑為13.5英尺。排代圓筒的外徑為5.75英尺。催化劑床內(nèi)徑為7英尺5.25英寸，外徑為12.5英尺。反應(yīng)器有一個(gè)6英寸寬的外環(huán)。操作中，該反應(yīng)器流量超過500,000磅/小時(shí)。由這些尺寸可知，反應(yīng)器內(nèi)的可用空間不足以提供讓人操作的空間。對(duì)該系統(tǒng)的任何改裝都需要拆卸反應(yīng)器，直到有了本發(fā)明后情況才有改變。要按照其操作參數(shù)改善這種反應(yīng)器內(nèi)的氣體流動(dòng)，在排代圓筒的外表面(反應(yīng)面)上安裝三個(gè)擋板或環(huán)。擋板在圖1中所示為30、31和32。頂環(huán)30在49英尺高度安裝，向反應(yīng)器中延伸7.5英寸。中環(huán)或中擋板31在46.75英尺高度安裝，向反應(yīng)器中延伸6.25英寸。底環(huán)32在40英尺高度安裝，向反應(yīng)器中延伸5.0英寸。這些擋板使通過反應(yīng)器的氣體流動(dòng)更加均勻?？芍S著反應(yīng)器高度增加，在這種反應(yīng)器上半部所加上的擋板伸向反應(yīng)器的長(zhǎng)度要加長(zhǎng)。對(duì)氣體流動(dòng)均勻性的改進(jìn)就會(huì)提高催化劑壽命和效率。
圖2所示是上述實(shí)施例中加上擋板的效果。實(shí)線顯示在加上擋板前，流體以垂直方向通過反應(yīng)器的流速。該圖顯示在反應(yīng)器下部和上部的超過標(biāo)準(zhǔn)流速的情況。增加擋板后，在上部(擋板位置)的流速接近于標(biāo)準(zhǔn)，且提高了通過中部的流體流動(dòng)。
因此，正如上面附圖和相應(yīng)的說明所描述的，本發(fā)明提供乙苯脫氫為苯乙烯的一種方法和設(shè)備，這種方法和設(shè)備具有延長(zhǎng)催化劑壽命，在反應(yīng)器橫截面結(jié)構(gòu)的上下各點(diǎn)能密切控制流速的優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)反應(yīng)器則由于在催化劑床各部分的流速不一致，催化劑壽命就較短。
還發(fā)現(xiàn)，通過催化劑層頂部的流速是催化劑床中部流速的1.5-2.5倍。因此，可以認(rèn)為反應(yīng)器中催化劑的利用遠(yuǎn)不夠均勻，這又直接影響到催化劑壽命，使其比預(yù)期值短得多。
作為結(jié)果，本發(fā)明公開的是一種明顯降低垂直流速差異的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。通過使用在排代圓筒外壁上的擋板構(gòu)成了這種結(jié)構(gòu)。利用流動(dòng)摹擬可確定擋板的數(shù)量、位置和尺寸。
在常規(guī)操作中，乙苯原料通過進(jìn)料管13，經(jīng)進(jìn)料區(qū)14進(jìn)入反應(yīng)器。原料從催化劑床18周圍進(jìn)入反應(yīng)器。反應(yīng)器中的操作條件為溫度在900-1225°F范圍，壓力約為8-22Psia。反應(yīng)器內(nèi)流速約為100-400fps，通過該反應(yīng)器的較好總流速約為200-300fps。
盡管描述了本發(fā)明較好的實(shí)施方案，提供了對(duì)本發(fā)明基本原則的理解，但是應(yīng)理解，在不偏離這些原則下，在所示脫氫反應(yīng)器裝置中可進(jìn)行各種變動(dòng)和修改。例如，盡管在上述較好的實(shí)施方案中，在反應(yīng)器上半部加上三個(gè)擋板，但根據(jù)反應(yīng)器的具體情況，擋板的數(shù)量和位置都可以改變。也可以使用不同形狀的擋板達(dá)到流速均勻化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解還可進(jìn)行其它的改變，因此本發(fā)明包括了對(duì)在此為說明目的公開的實(shí)施例的所有未偏離本發(fā)明精神和范圍的變動(dòng)和修改。
權(quán)利要求
1．一種氣流催化劑床反應(yīng)器裝置，包括外部反應(yīng)容器、內(nèi)部排代圓筒、和在具有上半部和下半部的排代圓筒周圍的環(huán)形催化劑床，其改進(jìn)包括在排代圓筒上半部加上至少一塊擋板，用以改善反應(yīng)器和催化劑床中流體流動(dòng)的均勻性。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于在所述排代圓筒上加上至少三塊擋板。
3．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述環(huán)形催化劑床位于距排代圓筒一定的距離處，至少一塊擋板向反應(yīng)器延伸，其距離不超過排代圓筒到催化劑床距離的一半。
4．改善氣相反應(yīng)器中流體流動(dòng)均勻性的方法，所述氣相反應(yīng)器包括外部反應(yīng)容器、具有上半部和下半部與反應(yīng)外表面和惰性內(nèi)空間的排代圓筒以及環(huán)形催化劑床，所述方法包括下列步驟采用實(shí)際的反應(yīng)器條件進(jìn)行流體流動(dòng)摹擬；在排代圓筒的反應(yīng)外表面增加一些擋板，改進(jìn)摹擬的流體流動(dòng)；在排代圓筒上加上擋板，方法為進(jìn)入圓筒的內(nèi)部惰性空間，將擋板從內(nèi)部惰性空間固定到反應(yīng)外表面上。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在所述排代圓筒的上半部加上三塊擋板，加上所述擋板不需要拆卸反應(yīng)器或催化劑床。
6．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述環(huán)形催化劑床距排代圓筒有一定距離，擋板向反應(yīng)器延伸的距離不超過到催化劑床距離的一半。
7．一種提高乙苯脫氫反應(yīng)器中催化劑壽命的方法，所述反應(yīng)器包括高度至少50英尺，內(nèi)徑至少10英尺的外部反應(yīng)容器，延伸達(dá)到反應(yīng)器高度至少70％的環(huán)形催化劑床，內(nèi)徑至少為4英尺，高度至少為反應(yīng)器高度70％的排代圓筒，經(jīng)受反應(yīng)器中反應(yīng)的外表面和與反應(yīng)器內(nèi)任何反應(yīng)隔離的內(nèi)表面；所述方法包括下列步驟采用實(shí)際的反應(yīng)器條件進(jìn)行流體流動(dòng)摹擬；在排代圓筒的反應(yīng)外表面加上至少兩塊擋板，改進(jìn)摹擬的流體流動(dòng)；在排代圓筒上加上擋板，方法為進(jìn)入圓筒的內(nèi)部惰性空間，將擋板從內(nèi)部惰性空間固定到反應(yīng)外表面上。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于在所述排代圓筒高度約60％-90％的位置上加上三塊擋板。
全文摘要
本發(fā)明公開了提高氣流催化劑床反應(yīng)器裝置的催化劑壽命和效率的方法。反應(yīng)器包括外部反應(yīng)容器、內(nèi)部排代圓筒、和在排代圓筒周圍的環(huán)形催化劑床。在排代圓筒的頂部一半加上至少一個(gè)擋板,改善反應(yīng)器和催化劑床中氣體流動(dòng)的均勻性。還公開了改善氣體流動(dòng)均勻性的方法,包括采用實(shí)際反應(yīng)器條件摹擬流體流動(dòng);在排代圓筒反應(yīng)外表面上加上擋板,改進(jìn)摹擬的流體流動(dòng)。通過將擋板從內(nèi)部惰性空間固定到反應(yīng)外表面上,在排代圓筒上加上擋板。
文檔編號(hào)B01J8/02GK1322701SQ0110475
公開日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月29日
發(fā)明者K·E·普林斯, M·E·勒杜, H·圖德, L·M·格雷米林 申請(qǐng)人:弗納技術(shù)股份有限公司