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加氢反应器技术黎国磊2009年2月一.加氢反应器概述*加氢反应器是各种加氢工艺过程或加氢装置的核心关键设备。其操作条件相当苛刻。技术难度大，制造技术要求高，造价昂贵。所以人们对它备无论在设计上还是使用上都给予极大的重视。反应器的设计和制造成功，在某种意义上说是体现一个国家总体技术水平的重要标志之一。一.加氢反应器概述（续）*所谓加氢过程是催化加氢过程的总称，其种类品牌繁多，API曾将其划分为三大类：·加氢处理·加氢精制·加氢裂化一.加氢反应器概述（续）*加氢反应器的分类·按工艺过程特点分类有：°固定床反应器°移动床反应器°流化床反应器·按反应器使用状态分类有：°冷壁结构反应器°热壁结构反应器加氢反应器的分类(续)·按反应器本体结构特征分类有：°单层结构–钢板卷焊结构–锻焊结构°多层结构，一般有：–绕带式–热套式等一.加氢反应器概述（续）*对于这样重要、使用条件又很苛刻的设备设计，应该至少要满足以下几点要求：·满足工艺过程各种运作方案的需要。·使用可靠性高。具体应体现在：–满足力学强度要求–具有可靠的密封性能–有较好的环境强度适应性–便于维护和检修，所需时间短。–尽可能降低投资费用。二.反应器技术发展梗概*随着加氢工艺技术的广泛应用，加氢工艺设备特别是加氢反应器技术相应得到很快的发展，并取得显著的进步。主要表现:(1)加氢反应器使用安全性不断提高:(2)为了获得较佳的经济效益，装置日趋大型化，同时也带来了反应设备的大型化。具体表现如下：二.反应器技术发展梗概（续）(一)加氢反应器使用安全性不断提高*这是加氢反应器技术发展过程中始终围绕的核心问题。使用安全性不断提高的主要表现：·设计方法的更新°由“常规设计”即“规则设计”→以“应力分析为基础的设计”，即“分析设计”·设计结构的改进°本体结构：单层→多层→更高级的单层°使用状态：冷壁结构→热壁结构°细部结构的改进（见后）(一)加氢反应器使用安全性不断提高（续）•材料生产技术的发展，质量明显提高°体现在冶炼技术、锻造技术、热处理技术、分析技术等等方面。最终体现在材料的内质特性(纯洁性、致密性、均质性)非常优越。•制造技术与装备水平的进步与提高°如制造技巧与经验以及包括焊接、堆焊、热处理、无损检测等领域的技术与装备水平都有很大进步与提高。例如：(一)加氢反应器使用安全性不断提高（续）–单层堆焊技术–双丝焊接技术–多头堆焊技术–有堆焊层的反应器上下部90度弯管整体成形技术–无损检测上采用的“TOFD”（TimeofFlightDiffraction）技术——超声波衍射时差法–大型（如150、160MN）自由锻造水压机，可锻造最大毛坯外径达6500mm以上等等装备的建成投用二.反应器技术发展梗概（续）(二)设备向大型化发展为了获取较佳的经济效益，装置日趋大型化,如：美国建造了325万t/a加氢裂化装置和480t/a加氢脱硫装置；我国建造了360t/a加氢裂化装置和300t/a加氢脱硫装置。设备的大型化带来了反应设备的大型化。(二)设备向大型化发展（续）*（国外大型化进展例）(二)设备向大型化发展（续）*（国内大型化进展例）(二)设备向大型化发展（续）*为适应设备大型化的需要，高压加氢设备的现场组焊制造技术应运而生。·国外：很早就开发了此项技术；·国内：从1996年开始实施。特别是2002年在条件很艰苦的内蒙古现场组焊制造了当今世界上最重的2100吨反应器。积累了很宝贵的在现场组焊制造大型反应器的经验。(二)设备向大型化发展（续）二.反应器技术发展梗概（续）*热壁加氢反应器技术的演变热壁加氢反应器技术的演变可划分为四个历史时期。如：热壁加氢反应器技术的进展历程热壁加氢反应器技术的进展历程时期技术特征备注第一个历史时期1972年以前开发初期第二个历史时期1973～1980改进期第三个历史时期1981～1987成熟期第四个历史时期1988～现在更新期以开发成功新Cr-Mo钢为标志热壁加氢反应器技术演变内容概况阶段起止时间技术特征技术进步内涵与存在问题第一个历史时期1972年以前开发初期•设计：由常规设计→分析设计。设计对材料只提出满足力学性能及抗氢腐蚀和硫化氢腐蚀的要求；•材料：冶炼由平炉→电炉，开始材料纯净度和均质性较差；堆焊：采用SAW工艺(末期开发出浅熔深堆焊工艺）；使用中曾出现过Cr-Mo钢的回火脆化现象和不锈钢的氢脆损伤问题。热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）阶段起止时间技术特征技术进步内涵与存在问题第二个历史时期1973~1980改进期•设计：分析设计应用较普遍。设计对材料已提出控制回火脆化的要求(如控制J-系数和X系数)。结构设计已有所改进，一是尽量减小应力集中，二是方便在役检测；材料：冶炼由电炉(或+保温炉)→电炉+炉外精炼技术(如真空碳脱氧工艺及其它新的冶炼工艺的应用)可以冶炼出低Si或低S、P，甚至超低S、P且微量杂质元素含量很低的钢；热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）阶段起止时间技术特征技术进步内涵与存在问题第二个历史时期1973~1980改进期•焊接：由常规的焊接→窄间隙焊接。•堆焊：由较普遍采用的浅熔深堆焊→改进的单层或双层(带极)堆焊。而且在有关部位采取了PWHT后才堆焊Tp.347的方法；•制造：可制造出大型反应器用整体封头，锻造筒体的缩口技术开发。这一阶段的反应器，回火脆化问题已基本得到解决。但在此阶段末发现了堆焊层氢致剥离现象。热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）阶段起止时间技术特征技术进步内涵与存在问题第三个历史时期1981~1987成熟期综合应用针对使用中出现的各种损伤所开展的预防对策的多项研究成果，包括在反应器的细部结构(如保温结构)上又有进一步改进，材料的纯净度进一步提高，J-系数和X系数的控制不断趋严；焊接方面，由于焊接设备、焊接材料和焊接结构的改进，焊缝质量大有提高。堆焊技术由于采用了高焊速、大电流的堆焊工艺，提高了堆焊层金属的韧性。其结果各种损伤发生极少。但由于有更加高温高压加氢新工艺的出现，现有反应器用材料又存在难以满足要求的问题。第三个历史时期综合应用改进的研究成果•通过冶炼工艺的改进和管理，严格控制钢中有害的杂质元素和气体含量，提高了钢材的纯净度（如J-系数在100以下；有害气体含量大为降低等）。•改善和提高焊材的质量和纯净度，使焊缝的性能与质量较好。焊缝金属的X系数一般都在11ppm以下。•尽量省略堆焊层Tp.347的PWHT，以提高其韧性。•堆焊工艺有了改进，堆焊层抗剥离性能有较大提高。第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）*反应器细部结构改进改进之一：·支持圈结构的改进第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）*反应器细部结构改进之二：·法兰密封槽的改进第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）*反应器细部结构改进之三：·裙座结构的改进第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）*反应器细部结构改进之三：·裙座结构的改进（续）第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）*反应器细部结构改进之四：·增设热箱第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）*反应器细部结构改进之五：·保温结构的改进热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）阶段起止时间技术特征技术进步内涵与存在问题第四个历史时期1988～现在更新期•以开发新的Cr-Mo钢，并很快得到推广应用，将加氢反应器技术推进到一个新的阶段。三.反应器本体结构特征*根据不同年代的技术水平与需求，曾使用了不同形式的本体结构，如：·单层结构°钢板卷焊结构°锻焊结构·多层结构°绕带式°热套式等等*结构形式选取取决于设备操作条件与规格、制造厂加工装备与能力、制造周期、经济合理性和用户需要与经验等。三.反应器本体结构特征（续）*单层结构中的钢板卷焊结构和锻焊结构的选择，主要取决于制造厂的加工能力、经验和条件以及经济上的合理性和用户的需要。在选用锻焊结构时，一般有如下优点：·锻件的内质特性(纯净性、致密性、均质性)好；·焊缝少，特别是没有纵焊缝，从而提高了反应器耐周向应力的可靠性；·制造装配易保证；·可设计和制造成对于防止某些脆性损伤很有好处的结构；·使用过程中对焊缝检查维护的工作量少，无损检测容易。·锻造结构材料利用率低，当壁厚较薄时，其制造费用相对较高。一般，厚度大于～180mm或更大时采用较合适，厚度越厚，锻造结构的经济性更显优越。三.反应器本体结构特征（续）锻焊结构板焊结构多层结构适用范围条件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（如抗氢腐蚀性能等）。一般宜用于厚度大于~180mm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续性的缺点，会造成较大的热应力和因缺口效应而使疲劳强度下降等。所以对于温度大于350℃和温度、压力有急剧波动的场合，选用应谨慎最大厚度mm约500约300总厚约600。内筒厚约20，层板厚4~8三.反应器本体结构特征（续）锻焊结构板焊结构多层结构设计时的应力分析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材料选用1.须选择能满足力学性能和抗环境脆裂（如氢腐蚀）性能的材料。2.为防止H2S腐蚀要在内表面堆焊不锈钢堆焊层。1.须选择能满足力学性能和抗环境脆裂(如氢腐蚀)性能的材料。2.为防止H2S腐蚀要在内表面堆焊不锈钢堆焊层。1.内筒选用能抗氢腐蚀和H2S腐蚀的材料(如不锈钢)。2.层板可采用高强钢，以利设备轻量化。三.反应器本体结构特征（续）锻焊结构板焊结构多层结构材料内质特性（致密性、纯净性、均质性）及材料利用率筒节锻坯由于需经墩粗、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，使筒节材料的内质特性得到改善，从而提高反应器的抗氢损伤能力。材料利用率相对较低。在合适厚度范围内，采用合适的冶炼工艺方法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，其内在质量较容易保证。材料利用率相对较高。焊缝仅有环焊缝，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，其质量易保证。三.反应器本体结构特征（续）锻焊结构板焊结构多层结构射线或超声检测易易难声发射检测易较易较易焊后热处理必需必需一般不进行破坏行为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、阶段地扩展四.反应器内件型式及作用*反应器内件设计性能的优劣将与催化剂性能一道体现出所采用加氢工艺的先进性。*对于固定床气液并流下流式反应器的内件,通常都设有入口扩散器、气液分配器、积垢篮、冷氢箱、热电偶和出口收集器等。*主要内件的作用、典型结构及注意要点如下：四.反应器内件型式及作用（续）•四.反应器内件型式及作用（续）内件名称设置目的及有关说明典型结构型式注意要点入口扩散器（或称预分配器）•对于图示的(b)型，还可起到积存进料中的一些锈垢的作用。•防止高速流体直接冲击液体分配盘，影响分配效果，从而起到预分配的作用。见图5(a)(b)(a)型：•进料方向应垂直于入口扩散器上的两条开孔；•两层水平档板上的开孔应对中；•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。四.反应器内件型式及作用（续）四.反应器内件型式及作用（续）内件名称设置目的及有关说明典型结构型式注意要点气液分配盘•使进入反应器的物料均匀分散，与催化剂颗有效触，充分发挥催化剂的作用。见图6(a)(b)•应保证分配盘上不漏夜,可采用合适填料垫密。安装后充水100mm高，在5分钟内液位降低小于25mm为合格;•控制安装水平度。对于喷射型,包括制造公差和梁在荷载作用下的挠度在内可按±5mm~±6mm控制，对于溢流型，控制公差应稍严；四.反应器内件型式及作用（续）内件名称设置目的及有关说明典型结构型式注意要点气液分配盘•目前国内外所用的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综合型。见图6(a)(b)•配盘的设计荷载，应包括通过分配盘的压力降△P、盘上