技术领域
本发明属于烃类加工技术领域，涉及一种适用于负压乙苯催化脱氢制苯乙烯的 固定床径向反应系统及方法。
背景技术
苯乙烯被广泛用作生产多种树脂、塑料和高弹体的原料，其应用范围之广主要 归因于苯乙烯易于聚合(例如生成聚苯乙烯)或进行共聚(例如与丁二烯共聚来生产橡 胶)的适应性。
乙苯催化脱氢制苯乙烯方法是生产苯乙烯最主要的方法，世界上90％的苯乙烯 是通过该方法生产的。乙苯催化脱氢制苯乙烯的工艺原理是，乙苯与水蒸气在催化 剂存在条件下，于500～650℃高温下，乙苯发生脱氢反应生成苯乙烯，反应的特征 是可逆、吸热、增分子反应。因此，当前工业中乙苯催化脱氢制苯乙烯的方法都采 用负压工艺(反应系统压力为70～30kPaA)，并采用大量的水蒸气作为载热体和稀 释剂，水蒸气与乙苯的体积比高达6～10，所以反应系统的压力损失对系统反应性 能的影响非常大，通常系统压力损失在15～30kPa左右，故乙苯脱氢反应器均采用 低压力降的径向反应器。
乙苯催化脱氢制苯乙烯的生产，就脱氢工艺以及脱氢反应所用的各种催化剂而 言，都已熟知。目前主要的研究目标是改进该反应系统和方法的效益。特别是已知 的乙苯的脱氢工艺方法，其中脱氢反应是在一套至少包括二个串联的脱氢反应器和 置于反应器之间、在其中反应流出物与蒸汽发生热交换而被加热的加热装置中进行。
工业中常见的乙苯催化脱氢制苯乙烯的生产流程有两种。一种流程如图1所示， 乙苯和高温水蒸气在混合器内混合后，从第一反应器底部进入反应器中心管，在导 流体的控制下，流体径向通过环形的催化剂床层，进入环形的外流道，由下向上流 动从反应器顶部流出，后经再热器提高温度后，从第二反应器的顶部进入反应器中 心管，在导流体的控制下，流体径向通过环形的催化剂床层，进入环形的外流道， 由上向下流动从反应器侧面下部流出，随后进入水平设置的组合换热器回收热量。 另一种流程如2所示，乙苯和高温水蒸气在混合器内混合后，从第一反应器底部进 入反应器中心管，在导流体的控制下，流体径向均匀通过环形的催化剂床层，进入 环形的外流道，由下向上流动从反应器顶部流出，后经再热器提高温度后，从第二 反应器的底进入反应器中心管，通过导流体的均布作用，流体径向通过环形的催化 剂床层，进入环形的外流道，由下向上流动从反应器顶部流出，随后进入垂直的组 合换热器回收热量。流程中的第一反应器和第二反应器均为催化床层顶部有盖板的 径向反应器或无盖板的轴径向反应器，均采用了由下向上或由上向下的Z型流动形 式，组合换热器为三台垂直设置的组合结构。
考察上述生产方法和反应器结构，存在如下问题：
1、图1所示流程，管线连接紧凑，但回收反应器出料显热的组合换热器采用线形组 合结构水平方向设置，占地面积大，并且由于换热管的自重受力方向与热膨胀的 方向互成90度，这种结构的不合理性，使组合换热器极易产生泄漏，加之换热 量大，热流体进出口的温降高达200℃以上，热膨胀量大，严重时甚至会拉坏换 热管。生产过程中因换热器的泄漏，影响了反应装置的正常操作，造成反应系统 的效率显著的下降；
2、图2所示流程，第二反应器和再热器之间采用U形管线连接，使得连接管线加 长，停留时间增长，导致高温下热裂解，副反应增多，加之弯管多，反应系统压 降增大，热量损失增加，这与反应特征为可逆、吸热、增分子反应的工艺相悖， 虽无换热器的泄漏问题，但因反应系统的不尽合理，也使得系统的反应性能欠佳；
3、文献CN2557914Y和CN1140161A中提出了一种高温显热回收组合式换热器 (图3)，主要解决换热设备各自独立放置，占地面积大，连接管线长，管线压 降损失大，管线热量损失大的问题，但其提出的乙苯脱氢生产苯乙烯的反应系统 流程中，第一和第二反应器均为下进上出的Z型径向反应器；由此造成了反应 系统中设置了三个U形管线的连接，从而与图2相同，会进一步增加了系统阻 力，停留时间也增加，对乙苯催化脱氢反应不利，使得系统的反应性能下降。
4、文献CN1546217A中公开了一种催化重整和催化脱氢固定床径向反应器，其特 征为气体进口和气体出口位于反应器的同一端，具有反应气体沿轴向均匀，在催 化床内作纯径向流动，流经反应器的压降小等特点。但其多孔壁内筒采用变开孔 率或变直径技术，结构复杂；多孔壁开孔率较低，存在相当大的压降，一般适用 于加压反应系统。但本系统是在真空条件下的乙苯脱氢制苯乙烯的反应工艺，其 使用的反应器宜为低压降或微压降，任何稍增加压降的反应器结构在系统中将受 到严格的限制。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：
(1)通过反应器流道的合理设计，采用大开孔率的多孔壁结构，使得反应器压 降大大下降；
(2)通过反应器结构的合理设计，取消反应器内的导流体内构件，降低反应器 的制造和安装难度；
(3)通过径向反应器结构的优化设计，得以使反应气体的分布均匀，保证了催 化剂利用率的提高；
(4)提供一种低压降和短停留时间的负压催化脱氢的反应方法，保证各装置之 间的连接最合理和优化；
(5)通过Π型径向反应器与Π型径向反应器或Z型径向反应器的组合，满足 工艺流程中不同配管的要求，使反应系统效率得以提高。
本发明通过提供一种Π型径向负压催化脱氢反应器及其Π型和Z型径向反应器 之间的多种组合方式，以此解决上述技术问题，克服现有技术中存在的缺陷；同时 开发了完全符合乙苯脱氢反应要求的，具有低压降的，气体分布十分均匀的Π型径 向反应器。
根据上述构思，本发明提出如下所述的技术方案：
一种乙苯催化脱氢反应系统，包括至少两台催化脱氢反应器，其特征在于，所 述的乙苯催化脱氢反应系统采用Π型径向反应器和Z型径向反应器组合，或Π型径 向反应器和Π型径向反应器组合而成，其中有中间再热器连接在第一反应器的出口 与第二反应器进口之间。
乙苯负压催化脱氢制苯乙烯反应系统所采用的Π型径向反应器，包括一圆筒形 容器(8)和容器内催化床(5)，在圆筒形容器(8)的上部或下部的同一端设置反 应气体进口(1)和反应气体出口(2)，在圆筒形容器(8)上设有催化剂卸料管(11)； 在圆筒形容器(8)内包括：与圆筒形容器(8)同轴设置的，由内向外依此排列多 孔壁内筒(6)和多孔壁外筒(7)，多孔壁内筒(6)与反应气体进口(1)相连通， 构成反应气体的分流流道(3)，多孔壁内筒(6)与多孔壁外筒(7)之间形成环形 催化床(5)，多孔壁外筒(7)与圆筒形容器(8)之间构成反应气体集流流道(4)， 并与反应气体出口(2)相连通；其特征在于，反应气体在集流流道和分流流道内的 流动方向相反，分流流道和集流流道的面积比为0.28～2.2，催化剂层顶部可以有盖 板也可以无盖板。
本发明还提供一种乙苯负压催化脱氢制苯乙烯反应系统所采用的方法：乙苯物 料和高温水蒸气混合后的物料进入第一反应器，在催化剂床层内反应后从第一反应 器出口流出，经中间再热器提升温度后进入第二反应器，在催化剂床层内反应后从 第二反应器出口流出，进入换热器进行热量回收。
有益的效果：催化脱氢反应系统采用Π型径向反应器与Π型径向反应器或Z型 径向反应器的组合流程，均具有连接管线短，反应器结构简单，反应性能好的特点， 并且反应系统的进出口位置的不同完全可以满足整个工艺系统对反应器配管位置的 要求。具有整个系统压降小，气体停留时间短，适应真空条件下的负压脱氢反应特 点，反应系统效率高、反应系统的组合方式适应性强的特点。
Π型径向反应器中，分流流道和集流流道的面积比为0.28～2.2时，可以取消中 心导流体的设置，简化了反应器的结构和安装难度；采用大开孔率的多孔壁，降低 穿孔压降。Π型径向反应器中的催化剂层顶部可以有盖板也可以无盖板，当加盖板 时，反应器为径向流反应器；当无盖板时，反应器为轴径向反应器，反应物料在床 层主体为径向流，在催化剂封内的流动为轴径向二维流动。
采用上述的Π型径向反应器，反应气体沿床层轴向分布均匀，催化剂利用率高， 副反应减少，反应器结构简单，制造难度降低。
附图说明
图1乙苯脱氢制苯乙烯工业流程1；
图2乙苯脱氢制苯乙烯工业流程2；
图3高温显热回收组合式换热器及流程；
图4本发明所述上进上出Π型固定床径向催化脱氢反应器结构示意图；
其中：1—反应气体进口；2—反应气体出口；3—反应气体分流流道； 4—反应气体集流流道；5—催化床；6—多孔壁内筒；7—多孔壁外筒； 8—圆筒形容器；9—惰性颗粒材料；10—催化剂封；11—催化剂卸料管；
图5本发明所述下进下出Π型固定床径向催化脱氢反应器结构示意图
其中：1—反应气体进口；2—反应气体出口；3—反应气体分流流道； 4—反应气体集流流道；5—催化床；6—多孔壁内筒；7—多孔壁外筒； 8—圆筒形容器；9—惰性颗粒材料；10—催化剂封；11—催化剂卸料管；
图6本发明所述的Z型(下进上出)与Π型(上进上出)径向反应器组合流 程。
图7本发明所述的Z型(上进下出)与Π型(下进下出)径向反应器组合流 程。
图8本发明所述的Π型(下进下出)与Z型(下进上出)径向反应器组合流 程。
图9本发明所述的Π型(上进上出)与Π型(上进上出)径向反应器组合流程。
图10本发明所述的Π型(下进下出)与Π型(下进下出)径向反应器组合流 程。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的说明，所绘附图只是帮助理 解本发明，其并不限制本发明的保护范围：
由图4可见，本发明所说的上进上出Π型径向催化脱氢反应器包括：
一圆筒形容器8和容器内催化床5，在该圆筒形容器的器壁上设有反应气体进 口1、反应气体出口2，催化剂卸料管11，所述的反应气体进口1置于圆筒形容器8 的上部封头上，所述的反应气体出口2置于圆筒形容器8的侧面上部，催化剂卸料 管11置于圆筒形容器8的下部封头上；
在圆筒形容器8内包括：与圆筒形容器8同轴设置的，由内向外依此排列上部 侧壁不开孔、下部开孔高度为H的多孔壁内筒6和全部开孔的多孔结构的外筒7；
所述内筒6与置于圆筒形容器8顶部反应气体进口1相连通，构成反应气体的 分流流道3，内筒6与外筒7之间形成催化床5，多孔壁外筒与圆筒形容器8侧壁 之间形成反应气体集流流道4，反应气体集流流道4与置于圆筒形容器8上部侧面 的反应气体出口2相连通，反应气体分流流道3的横截面积与反应产气体集流流道 4的横截面积之比值以0.28～2.2为宜；
所述的催化床5上部设有一段惰性颗粒材料9和催化剂封10，催化剂封10的 高度ΔH为床层径向厚度的0.2～5倍，惰性颗粒材料9的厚度为床层径向厚度的 0.1～0.5倍，确保反应气体的轴径向流动和催化剂封的充分利用。
由于本发明实施了反应气体在分流流道3与集流流道4内逆向的相对流动的结 构，作为反应气体分布器的内多孔壁筒6可保持相当大的开孔率，使反应气体分布 器的控制压降可以忽略，在实现无控制压降的同时，保证了反应气体沿轴向的均匀 分布。
图5的结构与图1基本相同，但气体进口管1置于圆筒形容器8的下部封头上， 而反应气体的出口管2置于圆筒形容器8的侧面底部。
图6为Z型(下进上出)与Π型(上进上出)径向反应器组合流程。第一反应 器为Z型径向反应器，包括一圆筒形容器和容器内催化床，催化床内侧形成分流流 道，内部包含锥形导流体，催化床外侧与圆筒形容器壁形成集流流道，反应器的进 口在分流流道的底部，而反应器出口在集流流道的顶部，反应器的进出口分别位于 反应器的两端，故称为Z型径向反应器。反应物料经第一反应器下部进入，在催化 剂床层内反应后从第一反应器顶部流出，经中间再热器提升温度，然后通过第二反 应器的顶部进入反应器，在催化剂床层内反应后从第二反应器顶部侧壁流出。催化 脱氢反应系统采用Z型径向反应器和Π型径向反应器的组合形式，第一反应器为下 进上出的Z型径向反应器，第二反应器为上进上出的Π型径向反应器，第一反应器 和第二反应器之间有中间再热器，如图6所示。此反应流程具有连接管线短，反应 器结构简单，反应系统效率高的特点，并且第二反应器出口位置完全可以满足后续 换热器采用L形组合换热器或垂直组合式换热器等结构，减少换热器的泄漏，提高 负压系统效率，降低设备占地面积
图7为Z型(上进下出)与Π型(下进下出)径向反应器组合流程。与图6相 比，第一反应器进口为反应器上部，出口为反应器底部；第二反应器的进口为反应 器底部，出口为侧壁底部。
实施例
本发明的乙苯负压催化脱氢制苯乙烯反应系统可在以下所提供的工艺参数条 件，在任一流程中进行。
实施例1：如图4所示的上进上出的Π型径向反应器，反应器直径3m，多孔 壁内筒直径0.9m，多孔壁外筒直径2.7m，床层高度8m。
实施例2：原料中H2O/乙苯的摩尔比为8～10、乙苯液空速为0.35～0.45h-1、 反应温度为550～645℃、进口压力为45～80Kpa(绝对压力)的乙苯脱氢，反应工艺可 采用图6、图7、图8、图9或图10所示反应器中的任意一种方式实施。
最佳实施例：原料中H2O/乙苯的摩尔比为8、乙苯液空速为0.40h-1、反应温度 为550～645oC、进口压力为45～60Kpa(绝对压力)的乙苯脱氢，反应工艺采用图6或 图8方式实施。