加氢反应器

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，为了便于比较、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。加氢精制系指过程在反应中，约≤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。加氢反应器分类按照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，其反应的形式也有各异，一般有三种类型：固定床反应器、移动床反应器和流化床反应器。当今各种各样的加氢装置中，仍以固定床反应器（气液并流下流式）使用最多。本次主要介绍固定床反应器的有关内容。固定床反应器主要适于加工固体杂质、油溶性金属含量少的油品。固定床反应器：床层内固体催化剂处于静止状态。特点：催化剂不宜磨损，催化剂在不失活情况下可长期使用。按照工艺过程的特点分类移动床层反应器移动床层反应器：生产过程中催化剂连续或间断移动加入或卸出反应器。主要适于加工有较高金属有机化合物及轻质的渣油原料，可避免床层堵塞及催化剂失活问题。按照工艺过程的特点分类流化床反应器移动床层反应器：原料油及氢气自反应器下部进入通过催化剂床层，使催化剂流化并被流体托起。主要也适用于加工有较高金属有机化合物、沥青质及固体杂质的渣油原料按照工艺过程的特点分类加氢反应器分类按反应器使用状态分类使用状态下高温介质是否与器壁接触，分为冷壁结构及热壁结构。冷壁反应器热壁反应器加氢反应器分类冷壁结构反应器是在设备内壁设置非金属隔热层，有些还在隔热层内衬不锈钢套，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，从而大大降低了制造难度。但由于冷壁式反应器的隔热层占据内壳空间，减少了反应器容积的利用率，浪费了材料，而且冷壁式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，操作一段时间后可能就需要修理或更换，且施工和修理费用较高。如果操作时衬里脱落，衬里脱落处附近的反应器壁会超过设计温度，从外观看，该处油漆会变色。因此反应器的不安全隐患大大增加，严重时甚至造成装置的被迫停车。冷壁结构热壁反应器的器壁直接与介质接触，器壁温度与操作温度基本一致，所以被称为热壁式反应器。虽然热壁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。热壁结构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器壁外保温设计温度选定国外：设计壁温：150～200℃国内：设计壁温：300℃设计温度按最高操作温度加10～20℃器壁局部过热现象易不易反应器有效容积利用率小，一般仅有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℃一下，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，若有H2S存在时，还需要考虑设置不锈钢覆盖层以抵抗H2S的腐蚀施工与维护施工周期长，生产维护不太方便施工周期短，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70年代前即按照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。国内自行开发的首台锻焊结构热壁加氢反应器投用至今，已安全可靠运行仅20年国外：早已占统治地位冷热壁结构反应器特征及应用加氢反应器分类按反应器本体结构特征分类分为单层结构、多层结构。单层结构包括钢板卷焊及锻焊结构；多层结构一般有绕带式及热套式。单层和多层结构断面加氢反应器的结构特点及各构件的作用加氢过程由于存在有气、液、固三相的放热反应，欲使反应进料（气、液两相）与催化剂（固相）充分、均匀、有效地接触，加氢反应器设计有多个催化剂床层，在每个床层的顶部都设置有分配盘，并在两个床层之间设有控制结构（冷氢箱），以确保加氢装置的安全平稳生产和延长催化剂的使用寿命。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,通常都设置有入口扩散器、积垢蓝、卸料管、催化剂支撑盘、出口捕集器、气液反应物流分配盘、冷氢箱、热电偶保护管和出口收集器等反应器内构件。加氢反应器的结构特点及各构件的作用加氢反应器是在高温、高压和临氢环境下工作，加氢反应器的筒体，一般采用铬钼钢作为基体，如2.25Cr-1Mo-0.25V钢锻焊结构筒体，2.25Cr-1Mo钢板焊结构筒体等。这些材料有较好的抗高温氢腐蚀性，但不能耐高温H2S的腐蚀，必须在反应器壳体基材上附加不锈钢防腐层。一般情况下，反应器内部均采用堆焊不锈钢作为防腐层。堆焊层一般为双层，与铬钼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。在铬钼钢与E347型堆焊层之间的E309L型堆焊层是具有较高韧性的过渡层，它可阻止表面裂纹向母材扩散。E347型堆焊层则是为了能有效的抵抗硫化氢的腐蚀。加氢反应器本体结构加氢反应器的结构特点及各构件的作用过去反应器曾有某些脆性损伤常发生在应力集中的高应力区，诸如承受重载荷的内部支撑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，曾对相关局部结构做了改进。加氢反应器局部详细结构的改进加氢反应器本体结构催化剂支承结构一般由过去的图(a)改进成图(b)的结构。1.催化剂支承结构加氢反应器本体结构一般，反应器上的接管法兰多采用环形八角垫金属垫片密封。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，而且判定为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标准通常规定的圆角R适当加大；原因之二是TP347堆焊层的延性较低。为此相应的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。具体的结构改进如下图。2.法兰密封结构加氢反应器本体结构3.反应器支承结构为改善反应器裙座支承结构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，由过去的图(a)改进成图(b)的结构。加氢反应器本体结构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，在裙子内采取增设一个热箱结构是很有效的措施。由过去的图(a)改进成图(b)的结构。一般，当反应器的操作温度≥370℃或反应器壁厚≥50mm，且操作温度≥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，并且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）。反应器内件结构及作用1.扩散器/入口分布器来自反应器入口的流体首先经过入口分配器，在上部锥形体整流后，经上下两挡板的两层孔的节流、碰撞后被扩散到整个反应器截面上。其主要作用是：一是将进入的介质扩散到反应器的整个截面上；二是消除气、液介质对顶部分配盘的垂直冲击，为分配盘的稳定工作创造条件；三是通过扰动促使气液两相混合。如右图，就是一种双孔多孔板结构入口分配器。入口分配器上的两层孔开孔大小和疏密是不同的。这种分配器应用效果良好，目前国内设计的加氢反应器大多采用这种形式。反应器内件结构及作用2.分配盘顶部分配盘由塔盘板和在该板上均布的分配器组成。顶部分配盘在催化剂床层上面，目的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。分配器种类比较多，我国自行设计制造的加氢反应器多采用泡帽型分配器。为了更好的将进入下降管的液体破碎成液滴，并将液体的流动方向由垂直改变为斜向下，造成进一步的扩散，还可在泡帽下面增加破碎器。目前，国内反应器所使用的反应物流分配器，按其作用原理大致可分为溢流式和抽吸喷射式两类。反应器内件结构及作用3.积垢篮加氢反应器的顶部催化剂床层上设有积垢篮，与床层上的瓷球一起对进入反应器的介质进行过滤。在操作中，很难避免系统及管道中的锈垢、污物被带到反应器内，这种污垢在催化剂床层表面积累，并迅速减小介质流通通道，甚至造成阻塞，使反应器床层压力降上升，操作条件恶化，严重者甚至会压垮分配盘。采用积垢篮可以有效避免这一问题。积垢篮一般每三个一组，均匀埋设在床层上表面大颗粒瓷球层内。目前应用的几种积垢篮形状和尺寸相似，只是制作材料和方法不同。由于不同的不锈钢金属网和骨架构成的蓝框，置于反应器上部催化剂床层的顶部，可为反应物流提供更大的流体面积，在上部催化剂床层的顶部捕集更多的机械杂质的沉积物，而又不致引起反应器压力降过快地增长。反应器内件结构及作用3.积垢篮反应器内件结构及作用4.冷氢管加氢反应属于放热反应，对多床层的加氢反应器来说，油流和氢气在上一床层反应后温度将升高。为了控制下一床层的反应温度，必须在两床层间引入冷氢。将冷氢导入反应器内部并加以散布的管子称为冷氢管。冷氢管喷出的冷氢向下喷出，分别进入上下挡板间的两个矩形分配箱内，两冷氢箱的出口是缩口而且相对的，这样流体在两个出口间高速混合，横向流入冷氢盘，再经冷氢盘下层带孔挡板向下流动。冷氢的引出点一般在循环氢压缩机出口。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，直接影响了冷冷氢箱的在混合效果。这时就采用树枝状或环形结构。反应器内件结构及作用5.冷氢箱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。其作用是将上层流下来的反应产物与冷氢管注入的冷氢在箱内进行充分混合，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，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的油气在作最终的分配。反应器内件结构及作用6.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壁的凸台上，而格栅则放在大梁和凸台上。格栅上平铺粗细两层不锈钢丝网，钢丝网上装填瓷球和催化剂。催化剂支撑大梁和格栅要有足够的高温强度和钢度，即在高温下弯曲变形很小，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瓷球的重量、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。此外，格栅与大梁以及器壁凸台间的缝隙应该塞满柔性石墨填料，以防止催化剂颗粒由此处缝隙中泄漏，阻塞下层分配盘。反应器内件结构及作用6.催化剂支撑盘反应器内件结构及作用7.催化剂卸料管固定床反应器每一催化剂床层下部均安装有若干根卸料管，跨过催化剂支撑盘、物料分配盘及冷氢箱，通向下一床层，作为反应器停工卸除催化剂的卸剂通道。反应器内件结构及作用8.出口收集器出口收集器是个帽状部件，顶部有圆孔，侧壁有长孔，覆盖不锈钢网。其作用主要是阻拦反应器底部的瓷球通过出口，并导出流体。反应器内件结构及作用9.出口收集器反应器底部的出口收集器用于支撑下部的催化剂床层，减小床层的压降和改善反应物料的分配。出口收集器与下端封头接触的下沿开有数个缺口，供停工时排液用。反应器内件结构及作用9.热电偶为监视加氢放热反应引起床层温度升高及