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1、固定床加氢反应器及内构件,固定床加氢反应器及内构件,固定床反应器是指在反应过程中，反应物为流动状态的气体和液体，穿过固定不动的催化剂床层。在固定床反应器中，催化剂是静止不动的。固定床反应器按照反应器的流动状态又分为：鼓泡床滴流床径向床反应器,鼓泡床反应器的作用使气体通过气体分布器在液相中鼓泡，产生气、液接触界面和湍动。这类反应器结构简单，造价低，特别适用于少量气体和大量液体（高持液量）的反应。鼓泡床反应器的特点高的液-气体积比，故单位反应器体积的气-液接触比其他类型反应器的大。气泡运动导致液体充分混合，促使整个反应器内的温度较为均匀。对温度敏感的反应系统控制收率是合适的。,鼓泡床反应器,反应物
2、的气体和液体通过分配器向处于下部的静止固体催化剂均匀喷洒，并在流经催化剂的过程中，在催化剂的作用下发生化学反应，生成所需的目的产品。滴流床反应器结构简单，造价低。在石油加工领域，固定床滴流反应器大量应用在馏份油、石蜡、润滑油的加氢精制、蜡油的加氢裂化和大部分的渣油加氢处理上。,滴流床反应器,影响滴流床加氢效果的因素较多，在工程设计上，通常应考虑以下几个方面的影响：气、液相的流体流动状态；液体的径向分布；床层压力降。,滴流床反应器,径向反应器也是一种固定床反应器，其作用是：利用扇形筒将反应物流沿催化剂床层轴向均匀地分布，并径向通过催化剂床层。径向反应器的最大优点是：能大幅度地降低压降，从而允许采
3、用颗粒小、活性高的催化剂。降低能耗。,径向反应器,径向反应器,径向反应器特点：为绝热、活塞流通过催化剂床层，产品转化率随径向历程增加，温度逐渐下降（吸热反应）或增高（放热反应）。目前，径向反应器已大量应用到催化重整、异构化等石油化工领域。在径向反应器的设计上，主要考虑：气流均布；流体在分、集气管内的流动状态；与静压差有关的动量交换系数。,固定床滴流反应器的流体流动特征,流体流动的形态特征在滴流床反应器中，流体在轴向穿过催化剂床层时，随着气、液流速的不同，将呈现出不同的流动区域，一般可分为四种区域：滴流区域脉冲区域喷洒区域鼓泡区域,流体分布的考察,床层入口的均匀性分布：床层入口处的均匀性分布是初
4、始分布，是关键，它直接影响到床层中部和出口处的分布效果。在床层入口，无论是轴向分布还是径向分布，都取决于气、液分布器。因此，采用入口高效分布器是任何一个滴流床反应器设计都追求的。,流体分布的考察,床层间的均匀性分布：床层间的流体轴向分布是以某一轴向催化剂床层各径向微元面积上流通量大小的均匀性来考察的；如果各微元面积上流体流通量大小相等或基本相等，则认为流体的轴向分布和径向分布较好。影响床层中间流体分布的主要因素为催化剂的孔隙率分布的均匀性以及污垢堵塞情况。而催化剂孔隙率分布的均匀性则又是由催化剂装填和颗粒大小、形状决定的。,床层出口的均匀性分布,催化剂床层出口流体分布的均匀性主要取决于床层中间
5、流体的分布效果。避免了床层间的流体分布不均，在床层出口一般也可获得好的流体分布。在工业应用上，到反应器最后一个床层，为了节省反应器体积，通常在反应器下封头的上部也装入少量催化剂，由于流体的“收口”效应，其流体的分布也会有较大的变化。,边壁效应对流体均匀性分布的影响,在工业反应器上，由于反应器的直径D与催化剂的直径DP之比远大于1825，故边壁效应一般是可以忽略不计的。试验室小试因D/DP较小的缘故，影响就较大，这也是通常小试结果要比大型工业装置效果差的一个重要原因。滴流床反应器的轴向返混也是存在的。但根据Mears的研究，当催化剂床层高度H与催化剂颗粒直径DP之比大于350时，轴向返混可以忽略
6、不计。,筒体及内构件的材料选择,反应器属压力容器，压力容器选材一般根据其操作条件、介质的腐蚀性和材料的经济性等综合因素而定。处于高温临氢工况下的压力容器选材时，还要考虑使其在整个设计寿命期间不出现下列情况：应力腐蚀断裂；蠕变应变达到不允许的程度；脱炭；氢侵蚀；停工期间损坏。,筒体及内构件的材料选择,氢腐蚀是在高温高压下，侵入并扩散在钢中的氢与固溶碳或碳化物反应，使晶界及非金属夹杂物的周围产生裂纹的现象。氢原子可以在钢的结晶格子内部移动，而与碳反应生成的甲烷分子是不能从钢中逸出的。因此，该甲烷以晶界及其附近的空隙、杂质、不连续部分为起点积聚，形成甲烷空隙，在空隙内压力上升的同时，形成微小缝隙。从
7、这一阶段开始，钢材的强度、延性显著降低，随后变成称之为较大缝隙、裂纹、鼓泡、剥离的钢材损伤。但是，从氢与碳化物反应到材料强度显著降低，是需要经过一段时间（潜伏期）的。目前，用现代技术很难在这个潜伏期间内发现氢腐蚀征兆。,筒体及内构件的材料选择,临氢操作的压力容器应按API RP941中的纳尔逊曲线（Nelson）来选择合适的材料。它表示了钢材在临氢条件下的使用界限（包括一部分潜伏期）。该曲线是总结了实际装置中由于高温高压临氢所引起的事故，经过成功和失败实际使用经验以及实验室试验数据的统计绘制的。该曲线一般每五年更新一次，是目前设计和使用单位为加氢设备选择材料的基础。,器壁形式,加氢反应器按其结
8、构特征可分为：冷壁反应器和热壁反应器。冷壁反应器是在设备内壁设置非金属隔热层，有些并在隔热层内衬不锈钢套。由于有内隔热层，可使反应器的设计壁温降至300以下，因而就可以选用15CrMoR 或碳钢，内壁也不用堆焊不锈钢了。冷壁反应器内的非金属隔热层在介质的冲刷下，或在温度的变化中易损坏，操作一段时间可能就需要修理或更换，且施工和修理费用较高。如果在操作时衬里脱落，衬里脱落处及其附近的反应器器壁就会超过设计温度，从反应器外部看，该处的变色漆就会变色。由此造成了反应器的不安全隐患，严重时甚至造成装置的被迫停车,器壁形式,热壁加氢反应器的器壁直接与介质接触，器壁温度与操作温度（420左右）基本一致。所
9、以被称为热壁反应器。虽然热壁加氢反应器的制造难度较大，一次性投资较高，但它可以保证长周期安全运行，目前已在国际上普遍采用我国是在八十年代末第一重型机械集团公司抓住齐鲁石化公司渣油加氢项目的机遇，在国外厂商的协助下，以反承包的形式制造了我国第一台热壁加氢反应器。通过消化吸收国外技术和国内自行研制开发，我国制造热壁加氢反应器的技术日臻成熟，国产化率逐年提高。,锻焊和板焊式,鉴于国内制造厂的卷板能力，器壁厚度在120mm以内时，反应器壳体就可用钢板卷制，然后焊接成圆筒壳。以这种方式制造的反应器就称之为板焊式加氢反应器。而当壁厚超过120 mm，受卷板机能力限制，壳体由水压机锻制成型的。锻制的筒节没有
10、纵焊缝，而只有两圆筒节之间的环焊缝。锻制的圆筒壳内外表面机加工到设计尺寸，再在内壁堆焊上不锈钢防腐层的反应器就成为了锻焊式反应器。,锻焊和板焊式反应器的特点,板焊式反应器比锻焊式反应器制造难度小，节省材料，制造工序少。但由于加氢设备常用的1.25Cr-0.5Mo-Si和2.25Cr-1Mo钢板尚未完全实现国产化。所以，这两种钢板一般尚需从国外购买。总之，板焊式反应器的制造有时会受所用钢板的订货周期和制造厂卷板机能力的限制。锻焊式反应器制造难度较大，工序多而复杂。因锻造壳体时先锻出毛坯，而毛坯需要留有余量，机加工时再将此余量加工掉。造成机械加工工时多，材料的利用率比板焊式反应器低。尤其是壁厚小于
11、100 mm的反应器，若采用锻焊形式就不太经济。因此，在卷板能力允许的情况下，应尽量采用板焊式结构。,防腐层,反应器基体一般采用Cr-Mo钢制造,这仅考虑了材料抗高温氢腐蚀，而没有考虑到H2S的腐蚀。为了抵抗高温H2S的腐蚀，就必须在反应器壳体基材上附加不锈钢防腐层。堆焊层一般为双层，与Cr-Mo钢直接接触的为过渡层，材料为E309L型不锈钢，在过渡层之上与介质直接接触的为表层，材料为E347型不锈钢。309L堆焊层是为了在2.25Cr-1Mo钢与E347堆焊层之间获得具有较高韧性的过渡层，以阻止表面裂纹向母材扩展。E347堆焊层则是为了能有效地抵抗硫化氢的腐蚀。E347是一种抗腐蚀性能较强的
12、含铌不锈钢材料。,入口扩散器,入口扩散器是介质进入反应器遇到的第一个部件将进来的介质扩散到反应器的整个截面上；消除气、液介质对顶分配盘的垂直冲击，为分配盘的稳定工作创造条件；通过扰动促使气液两相混合,去垢篮,在加氢反应器的顶部催化剂床层上有时设有去垢篮，与床层上的磁球一起对进入反应器的介质进行过滤去垢篮一般均匀地布置在床层上表面，蓝周围充填适量的大颗粒瓷球，以增加透气性。一种是在不锈钢骨架外蒙上不锈钢丝网（见图2(a)）,优点是过滤效果好，价格便宜。其缺点是丝网强度差，易变形和破损。另一种是采用楔形网结构（见图2(b)）。优点是过滤效果好，强度好，不易变形和破损，但价格较贵。近年来脱金属、脱杂
13、质催化剂的开发和原料过滤器的成功工业应用，保证了加氢装置的长周期运转。研究证明，反应器顶部设置去垢篮后会影响床层的气、液相分布。因此，目前国内、外反应器的设计一般取消去垢篮，以减少投资并改善床层的径向温度分布。,分配盘,在催化剂床层上面，采用分配盘是为了均布反应介质，改善其流动状况，实现与催化剂的良好接触，进而达到径向和轴向的均匀分布。分配盘由塔盘板和在该板上均布的分配器组成。分配器有多种形式：长短管分配器；斜口管分配器；V形缺口分配器；泡帽分配器等。,分配盘,分配盘,长短管分配器为气液相分路分配，其液相的局部分布可能不均匀，但溢流盒的流体分布略有改善。斜口分配器因气液流垂直碰撞而造成粉碎并有
14、吹散作用，从而有利于气液两相混合与均布。V形缺口盒的工作机理与前者相仿，但着重利用气体对液体的吹散作用。泡帽分配器的外形类似泡帽塔盘，泡帽的圆柱面上均匀地开有数个平行于母线的齿缝。下降管置于泡帽里面，其上端与泡帽之间留有适当间隙，其下端与塔盘板相连。当塔盘上液面高于泡帽下缘时，分配器就进入工作状态。从齿缝进入的高速气流，在泡帽与下降管之间的环形空间内产生强烈的抽吸作用，致使液体被冲碎成液滴，并为上升气流所携带而进入下降管，施行气液分配。,烃类的加氢反应属于放热反应，对多床层的加氢反应器来说，油气和氢气在上一床层反应后温度将升高，为了下一床层继续有效反应的需要，必须在两床层间引入冷氢气来控制温度
15、。将冷氢气引入反应器内部并加以散布的管子被称为冷氢管。冷氢加入系统的作用和要求是：均匀、稳定地供给足够的冷氢量；必须使冷氢与热反应物充分混合，在进入下一床层时有一均匀的温度和物料分布。,冷氢管,冷氢管按形式分直插式、树枝状形式和环形结构。对于直径较小的反应器，采用结构简单便于安装的直插式结构即可。对于直径较大的反应器，直插式冷氢管打入的冷氢与上层反应后的油气混合效果就不好，直接影响了冷氢箱的再混合效果。这时就应采用树枝状或环形结构。,冷氢管,冷氢箱实为混合箱和预分配盘的组合体。它是加氢反应器内的热反应物与冷氢气进行混合及热量交换的场所。其作用是将上床层流下来的反应产物与冷氢管注入的冷氢在箱内进
16、行充分混合，以吸收反应热，降低反应物温度，满足下一催化剂床层的反应要求，避免反应器超温。冷氢箱的第一层为挡板盘，挡板上开有节流孔。由冷氢管出来的冷氢与上一床层反应后的油气在挡板盘上先预混合，然后由节流孔进入冷氢箱。进入冷氢箱的冷氢气和上床层下来的热油气经过反复折流混合，就流向冷氢箱的第二层筛板盘，筛板盘，在筛板盘上再次折流强化混合效果，然后在作分配。筛板盘下有时还有一层泡帽分配盘对预分配后的油气再作最终的分配。,冷氢箱,常见的冷氢箱结构,催化剂支撑盘,催化剂支撑盘由T形大梁、格栅和丝网组成。大梁的两边搭在反应器器壁的凸台上，而格栅则放在大梁和凸台上。格栅上平铺一层粗不锈钢丝网，和一层细不锈钢丝
17、网，上面就可以装填磁球和催化剂了。催化剂支撑大梁和格栅要有足够的高温强度和刚度。即在420高温下弯曲变形也很小，且具有一定的抗腐蚀性能。因此，大梁、格栅和丝网的材质一般均为不锈钢。在设计中一般应考虑催化剂支撑盘上催化剂和磁球的重量、催化剂支撑盘本身的重量、床层压力降和操作液重等载荷，经过计算得出支撑大梁和格栅的结构尺寸。,加氢反应器内件改进的最新进展,近年来，国内外对加氢反应器的研究主要集中在开发新型内构件上。旨在增加反应器内催化剂的有效装填空间和强化气液分配效果，以防止沟流、催化剂结焦，和延长催化剂使用效率和寿命。在反应器内件选择和设计上的失误不仅要丧失反应器的内部空间，而且还会影响催化剂的
18、使用效率和寿命。滴流反应器内有多种内件。如：入口分配器、去垢篮、初级和下级气液分配盘、催化剂支持盘、冷氢箱、混合盘和再分配盘。由于反应器内件都要占据一定的空间，而这些空间本来是可以用来填充催化剂的。第一级反应器容积利用率约为70%，而第二级反应器的容积利用率约为60%。,国外新型反应器内构件的工程研究与工业应用,文献报道，最新加氢裂化反应器设计，其容积利用率高达86%。这项新内件技术缩小或免去了三部分空间：反应器入口分配器和去垢保护区所占的空间；冷氢和再分配所需的空间；反应器出口收集器和催化剂支持材料所占空间。,国外新型反应器内构件的工程研究与工业应用,文献报道这项新技术包括：在顶分配盘上安装
19、污垢消纳盘来减少床层顶部的级配材料。反应器内裙使顶分配盘安装位置上移，而使催化剂装填位置接近反应器上切线。采用HD（高扩散）分配盘和HD气液管嘴，使这种分配盘下可以直接装填催化剂，而不采用其它级配材料，并保证100%分配均匀。HD型分配盘安装高度很低，催化剂可以装填到距分配盘100mm处。并且催化剂上不需要再装任何级配材料。采用专利的超平冷氢箱(UFQ)，与传统冷氢箱相比，两床层间距可减小到11.4米。并仍保持良好的冷却和混合效果。催化剂支撑梁伸向催化剂床层内，而不是伸向两床层之间。超平冷氢箱连同HD气液管嘴可以不必再装填级配材料，催化剂可以装填在HD分配盘下100mm的高度。出口采用超平底收
20、集篮，使催化剂可以装填在反应器下切线以下。减少反应器底部催化剂支撑层。,三种分配盘效果图,国内新型反应器内构件的工程研究与工业应用,研制新型气液分配盘最主要的目的就是要克服传统的气液分配盘的不足，泡帽的型式和在气液分配盘上的分布决定着物流的气液分布和喷洒角度，而气液分布和喷洒角度决定着催化剂的利用率。冷膜实验证明：通过调整泡帽齿缝的尺寸和开度可保证合适的气液流速和均匀的气液分布。若在泡帽的物流出口设置碎流板，可以进一步扩大气液喷洒角度。碎流板的形式不同，气液喷洒角度的改善程度也不同。,国内新型反应器内构件的工程研究与工业应用,通过流体仿真模拟（CFX）可以表明：在泡帽的物流出口设置双层碎流板结
21、构形式，不仅喷洒角度可以很好改善，而且起到强化传质的作用。该种形式的泡帽和碎流板其物流分配较传统的气液分配盘的分配均匀度提高约40%，床层催化剂的利用率提高约25%。冷氢箱的作用就是使急冷介质与热反应产物充分混合并进行很好的传质传热，使离开冷氢箱的物流达到温度分布均匀。,新型冷氢系统的技术特点,优化冷氢管设计，扩大冷、热介质的接触面积,使物流充分混合并换热。首先通过改变挡板上方的冷氢管设计来扩大急冷氢的喷射面积，使其在特定流速下与来自上方的反应产物初步混合传质，为物流进入冷氢箱进一步进行传质传热创造了良好条件。优化物流的流道设计，提供冷、热介质的旋流和碰撞，强化传质传热。在急冷箱的顶部设计为带
22、有两个节流孔的挡板，经预混合后的物流，进入节流孔后，分别在特定的环行和偏心环行通道内流动，起初形成强烈的外旋涡流，经过孔道内的折流挡板后，再形成较强烈的内旋涡流，故物流通过新型急冷箱不仅流动路线比常规冷氢箱延长了三倍以上。,新型冷氢系统的技术特点,中国石化工程建设公司已根据所加工的原料油的轻重，粘度和表面张力的大小，分别开发了适应不同原料，不同氢油比的等工况的系列反应器内构件。这些新型反应器内构件已获国家专利。（A）已应用在某厂140万吨/年加氢裂化装置的反应器中（B）已应用在某厂150万吨/年加氢裂化装置的反应器中都取得了相当满意的效果，径相温差小于3OC，达到了当前世界的先进水平。,新型反
23、应器内构件示意图,新型反应器内构件示意图,反应器设计简述,各种石油馏份加氢大量采用固定床滴流反应器。从设计上看，主要包括以下几个方面：催化剂装量；反应器直径和高度；急冷；压力降。,催化剂装入量,催化剂是促进反应的载体，它能有效地降低化学反应的活化能，使反应在较低的温度下进行。在加氢反应中，以反应氢分压、反应温度、空速和氢油比来表示反应条件。而其中的空速则间接表明需要催化剂的装量。空速有重量空速和体积空速之分。催化剂的装量计算如下：Vc=Vl/Vs(5.2.1)Vc催化剂重量吨（重量空速）或体积米3（体积空速）Vl液体进料重量流率吨/时（重量空速）或20下体积流率米3/时（体积空速）Vs空速时-
24、1（重量空速或体积空速）,反应器直径和高度,反应器的直径和高度没有严格限制，但考虑到流体分配和制造成本、运输等原因，反应器直径不可过大和过小；考虑催化剂压碎等因素，也不能过长或太短。因此，通常反应器设计是采用合理的总床高与直径之比，即高/径比确定。高/径比的选择范围较广，从2.512均可。对于油品较轻，易于汽化的石油加氢反应器，一般选择2.55，通常选择3；而对于较重油品，不易汽化的石蜡和润滑油加氢，一般选择612，通常选择8，并通过床层压力降核算后确定。反应器单个床层高度一般控制在15米以下，最好不要超过9米。确定反应器直径后，就知道了催化剂床层高度。安排好床层数量后，再加上冷氢盘空间高度、
25、隋性填充物高度和分配器净空高度后，反应器切线高度就确定下来了。,急冷,石油加氢反应的脱硫、脱氮、烯烃饱和、芳烃饱和以及加氢裂化等大多为放热反应，只有蜡分子的异构化反应为吸热反应。因此，一般加氢反应总体表现出放热现象。为了使反应受控，并得到理想的产品分布，通常控制反应温升：一般加氢精制 60 加氢裂化前加氢精制 45 加氢裂化 10-20为了取出反应器中多余热量，一般采用循环氢急冷。对于放热量特别大的情况，也有采用急冷油注入反应器床层间。一般急冷氢控制阀的设计最大流量为其正常量的12倍。,压力降,压力降不可设计得过小，因为过小的压力降会使床层内流体分布不均。更不能设计过大，这不仅会使装置能耗增加
26、，还会加大支撑内件的负荷，以及造成催化剂压碎。合理的压力降范围是在开工初期干净床层情况下，反应器压降为：一般装填 0.080.12MPa 密相装填 0.180.25MPa,压力降,反应器的压力降计算，应包括入口分配器、分布盘、冷氢箱、出口收集器和催化剂床层的阻力降。反应器内件的阻力降在设计内件尺寸时就加以确定，如：入口分配器 0.0030.006MPa 泡帽分布器 0.0040.008MPa 冷氢箱 0.0100.030MPa 支撑盘 0.0030.006MPa 收集盘 0.0040.007MPa催化剂床层的阻力降计算有多种关联式可供采用，如Larkins方程、Turpin公式、修正的Ergun和Larachi 方程式等可供选择。,Thanks！,
