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第一章反应设备石油化工过程可分为传递过程（能量传递，热量传递，质量传递的物理过程）和化学反应过程。完成化学反应的设备统称为反应设备。在许多石油化工工业过程中，都是在对原料进行若干物理过程处理后，再按一定的要求进行化学反应以得到最终的产品。.石油化工中三大合成材料的生产中诸如聚合、加氢、裂解、重整等化学反应过程则更为普遍。因此，反应设备在石油化工设备中是非常重要的。常用的反应设备按结构划分有管式反应器、固定床反应器、流化床反应器和搅拌反应器；也有按反应器的功能划分有加氢反应器、重整反应器、催化裂化反应―再生系统等。1.1加氢反应器加氢反应器是各种加氢工艺过程的关键设备，种类非常繁多，为便于比较、评价和统计，1995年API经调研后重新将加氢过程划分为加氢处理、加氢精制和加氢裂化三大类。加氢处理一一系指进料分子基本在反应中无变化，目的在于使烯烃饱和及去除硫的过程。加氢精制一一系指过程在反应中，有少于10%原料油分子降低分子量的过程。加氢裂化――系指过程反应中，有≥10%原料油分子转化为小分子的过程。1.1.1加氢反应器的分类1、按工艺过程的特点分类依据催化加氢过程进料原料油性质的不同，相应地所采用的工艺流程和催化剂是不相同的，其反应器形式也不同，一般有表1-1-1所列的三种类型。表1-1-1加氢反应器类型序号反应器类型示意图例反应器特点适用场合1固定床反应器见图1-1-1此反应器床层内的固体催化剂是处于静止状态。它的最大优点是催化剂不易磨损，而且当在催化剂不失去活性情况下，可以长周期使用主要用于加工固体杂质、油溶性金属有机化合物含量较少的馏分油2移动床反应器见图1-1-2此反应器在生产过程中催化剂可以连续或间断地移动加人或卸出主要用于加工含有较高金属有机化合物和沥青质的渣油原料场合，以避免容易在催化加工中迅速引起床层堵塞和使催化剂失活的问题当今，在各种加氢装置中，仍以固定床反应器使用最多。为了使进入反应器的液体停留时间更短，以避免碳析出和当采用较大的液体流速时，不至于引起催化剂流化或磨损；另外还为了使反应器的压降更小，几乎都采用气液并流下流式的流动形式。2、按反应器使用状态分类从使用状态下按反应器内部的高温介质是否直接与器壁接触，可分为冷壁结构和热壁结构两种。此两种结构形式反应器的特点与应用情况见表1-1-2。表1-1-2冷热壁结构反应器特征与应用情况冷壁结构热壁结构隔热形式器壁内表面设非金属隔热衬里①器壁外设保温设计温度（或壁温）选定国外：设计壁温一般按150~200℃国内：设计壁温一般按300℃设计温度一般可按照最高操作温度加10~20℃器壁局部过热现象易不易反应器有效容积利用率②小，一般为50％~70％大，一般可达80％~90％材料选用因壁温低，可选用耐高温氢腐蚀档次较低的材料。由于有隔热衬里层，一般实际壁温在200℃以下，即使反应物料中含有H2S，对器壁的腐蚀也不大需选用能抗高温氢腐蚀的材料，若存在有浓度0.02mol％的H2S，且设计温度260℃时，一般还要考虑设置不锈钢覆盖层（采用堆焊层或复合钢板的方法）以抵抗H2S的腐蚀施工与维护施工周期长，生产维护不方便施工周期短，生产维护方便设备制造费用相对较低相对较高应用情况国内：目前仍有20世纪80年代初以前建造的反应器在应用国外：现在极少使用国内：从20世纪80年代起陆续开始使用，新设计和建造的反应器全为热壁结构。国内自行开发研制的首台锻焊结构3流化床反应器见图1-1-3（沸腾床反应器）它是一种以一定流速的流体（原料油和氢气）从反应器下部进人而通过装填微粒（或细粉）催化剂的床层时，使催化剂粒间空隙率随流速渐增而逐渐拉开，催化剂床层体积开始膨胀，直至催化剂床层被流体托起的反应设备。流化床反应器大致还可以划分为悬浮床反应器（或称浆态床反应器）和膨胀床反应器（或称沸腾床反应器）主要也是用于加工处理含有较多金属有机化合物、沥青质及固体渣质的渣油场合热壁加氢反应器投用至今，已安全可靠地运行近20年注：①在冷壁结构中还有一种称为瓶衬式的冷壁结构（见图1-1-4）。它是在反应器内壁与内衬筒之间的环形空间通入经过换热后的温度不高的氢气，以隔绝含高温氢气的介质直接与反应器器壁接触，从而达到避免使器壁遭受高温氢腐蚀的目的。②反应器有效容积利用率系指反应器中催化剂装人体积与反应器容积之比。3、按反应器本体结构特征分类按反应器本体结构的特征可分为两大类：一是单层结构，二是多层结构。在单层结构中又有钢板卷焊结构和锻焊结构两种。多层结构用于加氢反应器上的一般有绕带式、热套式等几种形式。1.1.2加氢反应器结构1、加氢反应器本体结构加氢反应器的本体结构，根据不同的年代的技术水平与需求，曾使用了不同形式的本体结构。表1-1-5是曾使用过板焊、锻焊和多层3种不同本体结构特征的比较。在应用中到底选用何种本体结构形式，主要取决于使用条件、反应器尺寸、制造厂的加工装备能力及其交货周期以及经济上的合理性和用户的需要等诸因素。近20多年来，多层结构在高温高压加氢装置设备上很少应用。这是由于钢材生产技术的飞快发展已能生产出性能很好的450~500㎜厚截面的大锻件和厚约300㎜的厚钢板，且相配套的焊接、热处理、无损检测等技术也有很大的进步，为大型单层结构设备的制造创造了非常有利的条件。另外，图1-1-1固定床反应器示意图图1-1-2移动床反应器示意图（OCR工艺催化剂移动输送系统）图1-1-3膨胀床反应器示意图图1-1-4“瓶衬”结构冷壁反应器国外也有专家认为，对于高温高压的使用环境及伴随有压力、温度急剧波动的装置，采用多层结构是不适宜的。到目前为止，国内制造过的2.25Cr-1Mo-0.25V钢锻焊结构和2.25Cr–1Mo钢板焊结构加氢反应器最厚壁厚分别为334㎜和180㎜。表1-1-5加氢反应器不同本体结构的特征锻焊结构板焊结构多层结构可用于高温高压场合。其最高使用温度取决于所用材料的性能（如抗高温氢腐蚀性能等）。一般适用于厚度大于160~180mm以上的场合可用于高温高压场合。其最高使用温度取决于所用材料的性能（如抗高温氢腐蚀性能等）可用于高压，但温度不宜太高。因为它存在结构上不连接性的缺点，会造成较大的热应力和因缺口效应而使疲劳强度下降等。一般对于温度高于350℃和温度、压力有急剧波动的场合，选用要谨慎。约500约300总厚约600.。一般内筒厚16~20，层板厚为4~8，有的可达14⑴须选择能满足标准规定的化学成分、力学性能和抗环境脆裂（如高温氢腐蚀）性能要求的材料⑵当有SH2腐蚀时，要在内表面堆焊不锈钢堆焊层⑴须选择能满足标准规定的化学成分、力学性能和抗环境脆裂（如高温氢腐蚀）性能要求的材料⑵当有SH2腐蚀时，要在内表面堆焊不锈钢覆盖层（采用复合钢板或堆焊不锈钢）⑴内筒选用抗高温氢腐蚀和SH2腐蚀的材料（如不锈钢）⑵层板可采用高强钢，以利设备轻量化筒节锻坯由于需轻墩粗、拔长、墩粗、冲孔的锻造加工过程，可冲掉中心部位的偏析与夹杂，使筒节材料的内在质量得到改在合适厚度范围内，钢板也能获得与锻件相近的特性。材料利用率相对较高由于钢板较薄，其内在质量较容易得到保证。材料利用率相对较高善，从而提高反应器的抗氢损伤能力。材料利用率相对较低可采用有限元法等进行可采用有限元法等进行对层间和焊缝部位的应力状况，需要根据实验来分析仅有环焊缝，对提高反应器耐周向应力的可靠性有利。而且焊缝少有纵、环焊缝、焊缝多。焊接工作量大有纵、环焊缝、焊缝多。但焊缝系薄（或较薄）板焊接，其质量较易保证易易难易较易较易必需必需一般不进行超过临界裂纹后迅速扩展超过临界裂纹后迅速扩展缓慢地、阶段地扩展2、加氢反应器局部结构过去反应器曾有某些脆性损伤发生在应力集中的高应力区，诸如承受重载荷的内部支持圈拐角处和法兰密封槽槽底拐角处以及外部附件连接焊缝部位等。为了避免或尽可能减少各种损伤的发生，对相关局部结构做了如下改进。(1)催化剂支承结构催化剂支承结构一般都由过去的图1-1-5（a）改进成图1-1一5(b)的结构。(2)法兰密封结构一般，反应器上的接管法兰多采用环形八角形金属垫片密封。由于原先设计上有不完善之处，且螺栓载荷又较大，曾在法兰密封槽底部拐角处产生过裂纹，而且判定是不锈钢堆焊层的氢脆开裂。原因之一是该部位有较大的应力集中。为此，将法兰密封槽底拐角处通常标准规定的圆角R适当加大；原因之二是TP347堆焊层的延性较低。为此相应采取了如图中所注的改变TP347堆焊时机，以提高TP347堆焊层的延性，增强其抗氢脆开裂的能力。具体的结构改进见图1-1-6(a)和图1-1-6(b)。图1-1-5催化剂支承结构的改进(3)反应器支承结构为改善反应器裙座支承部位的应力状况和能使裙座连接处的焊缝在制造中和使用过程的停工检修时可以进行超声检测或射线检测，将此处结构由图1-1-7(a)的各种形式改进为图1-1-7(b)的相应形式。(4)反应器裙座连接处的结构在操作状态下，裙座与壳体连接部位由于器壁和裙座的边界条件差别较大，往往存在着较大的热应力。为了能使裙座连接部位的温度梯度减小，以降低其热应力，在裙座内采取增设一个热箱结构是很有效的措施。所以,裙座处的连接结构由过去的图1-1–8(a)改进成设有热箱结构的图1-1-8(b)形式。一般，当反应器的操作温度≥370℃或反应器壁厚≥50㎜；操作温度≥260℃时就宜设置热箱结构。热箱的具体设置位置(高度）应通过对此部位的热分析，并获得满意的应力值后确定。但热箱的最小高度（即裙座与封头的连接点至图1-1-6法兰梯槽密封结构的改进图1-1-7反应器支承结构的改进热箱圈板的上表面距离)至少不能小于（RT）0.5（R为裙座半径，T为裙座厚度）。(5)反应器外部附件连接结构为改进过去附于反应器外表面的一些附件（如保温支持圈、管架、平台支架等）的连接焊缝难以焊透所带来的隐患，采取尽可能不将各种附件与器壁外表面直接焊的办法或结构。如保温支承结构现多采用如图1-1-9所示的不直接焊于反应器外表面而是披挂其上的鼠笼式结构。当某些附件必须与反应器外壁相焊时，则应采用全焊透结构。1.1.3加氢反应器内件设置反应器内件性能的优劣将与催化剂性能一起体现出所采用加氢工艺的先进性。所以，内件特性的先进性与设计技巧是至关重要的。从工艺过程的角度出发，最关键的一点是要使反应进料（气液相）与催化剂颗粒〔固相）有效地接触，在催化剂床层内不发生流体偏流。偏流的出现将可能引起局部过热，它既可能危及设备的安全使用，又会影响反应效率，还将使催化剂的使用寿命受到损害。从设备设计的角度说，值得特别注意的问题是，在保证内件具有高效性能和稳定操作的前提下，应将内件结构设计得更加紧凑，尽量缩小空间所占高度，以达到最大限度地利用反应器容积。通常，固定床反应器内一般设有入口扩散器、气液分配盘、积垢篮、冷氢箱、热电偶和出口收集器等，如图1-1-10所示。在表1-1-4和相应的图示中说明或示意了这些主要内件的作用、典型结构及相关的注意要点。图1-1-8裙座连接部位结构的改进图1-1-9鼠笼式保温支承结构内件名称设置目的典型结构型式注意要点入口扩散器（或称预分配器）防止高速流体直接冲击液体分配盘而影响分配效果；使气液产生预混合并尽可能扩散到整个反应器截面上对于图1-1-11(b)所示的周边开有长圆孔的扩散器还可起到积存进料中的一些锈垢的作用见图1-1-11（a）（b）(a)型：（i）进料方向应垂直于入口扩散器上的两条开孔；（ii）两层水平挡板上的开孔应对中；（iii）水平挡板上的开孔应垂直于板面。(b)型：根据液体及沉积物量确定长槽孔的大小、数量和位置气液分配盘使进人反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效地接触，充分发挥催化剂的作用见图1-1-12（a）（b）（i）最关键是应保证分配盘上不漏液，可采用耐高温填料垫密或其他措施来保证。图1-1-10内件的设置目前国内外所用的气液分配器按其作用机理大致可分为溢流型和（抽吸）喷射型两类或二者机理兼有的混合型安装后充水100mm高，一般以在50min内液位降低不小于25mm为合格；（ii）控制制造安装水平度。应严格按照内件