一种低碳烷烃脱氢工艺的方法、装置和反应系统，包括将C3～C5低碳烷烃原料气、CO和/或CO2工艺气经200～500℃预热后进入反应器，与Cr‑Ce‑Cl/Al2O3脱氢催化剂、Cu‑Ce‑Ca‑Cl/Al2O3热耦合助剂、蓄热/支撑体惰性氧化铝球接触；在反应温度500～700℃、反应压力10～100kPa、反应时间5～30分钟、质量空速0.1～5小时‑1的条件下转化；产物进入后续分离装置获得低碳烯烃；催化剂床层的周期性再生过程包括，经蒸汽吹扫后，通入560～730℃、0.01～1MPa的热空气再生和加热床层，并抽空和还原，每周期循环时间为10～70分钟。该脱氢工艺方法、装置和反应系统实现了反应和热量耦合，降低了反应过程中床层的温度差和苛刻度，改善了催化剂转化效率、选择性、运行周期和寿命，并降低了系统能耗。