內(nèi)構(gòu)件介紹課件

固定床加氫反應(yīng)器及內(nèi)構(gòu)件固定床加氫反應(yīng)器及內(nèi)構(gòu)件固定床反應(yīng)器是指在反應(yīng)過程中，反應(yīng)物為流動狀態(tài)的氣體和液體，穿過固定不動的催化劑床層。在固定床反應(yīng)器中，催化劑是靜止不動的。固定床反應(yīng)器按照反應(yīng)器的流動狀態(tài)又分為：鼓泡床滴流床徑向床反應(yīng)器鼓泡床反應(yīng)器的作用使氣體通過氣體分布器在液相中鼓泡，產(chǎn)生氣、液接觸界面和湍動。這類反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，造價低，特別適用于少量氣體和大量液體（高持液量）的反應(yīng)。鼓泡床反應(yīng)器的特點(diǎn)高的液-氣體積比，故單位反應(yīng)器體積的氣-液接觸比其他類型反應(yīng)器的大。氣泡運(yùn)動導(dǎo)致液體充分混合，促使整個反應(yīng)器內(nèi)的溫度較為均勻。對溫度敏感的反應(yīng)系統(tǒng)控制收率是合適的。鼓泡床反應(yīng)器影響滴流床加氫效果的因素較多，在工程設(shè)計上，通常應(yīng)考慮以下幾個方面的影響：

氣、液相的流體流動狀態(tài)；液體的徑向分布；

床層壓力降。滴流床反應(yīng)器徑向反應(yīng)器也是一種固定床反應(yīng)器，其作用是：利用扇形筒將反應(yīng)物流沿催化劑床層軸向均勻地分布，并徑向通過催化劑床層。徑向反應(yīng)器的最大優(yōu)點(diǎn)是：能大幅度地降低壓降，從而允許采用顆粒小、活性高的催化劑。降低能耗。徑向反應(yīng)器徑向反應(yīng)器徑向反應(yīng)器特點(diǎn)：為絕熱、活塞流通過催化劑床層，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率隨徑向歷程增加，溫度逐漸下降（吸熱反應(yīng)）或增高（放熱反應(yīng)）。目前，徑向反應(yīng)器已大量應(yīng)用到催化重整、異構(gòu)化等石油化工領(lǐng)域。在徑向反應(yīng)器的設(shè)計上，主要考慮：氣流均布；流體在分、集氣管內(nèi)的流動狀態(tài)；與靜壓差有關(guān)的動量交換系數(shù)。固定床滴流反應(yīng)器的流體流動特征流體流動的形態(tài)特征在滴流床反應(yīng)器中，流體在軸向穿過催化劑床層時，隨著氣、液流速的不同，將呈現(xiàn)出不同的流動區(qū)域，一般可分為四種區(qū)域：滴流區(qū)域脈沖區(qū)域噴灑區(qū)域鼓泡區(qū)域流體分布的考察床層間的均勻性分布：床層間的流體軸向分布是以某一軸向催化劑床層各徑向微元面積上流通量大小的均勻性來考察的；如果各微元面積上流體流通量大小相等或基本相等，則認(rèn)為流體的軸向分布和徑向分布較好。影響床層中間流體分布的主要因素為催化劑的孔隙率分布的均勻性以及污垢堵塞情況。而催化劑孔隙率分布的均勻性則又是由催化劑裝填和顆粒大小、形狀決定的。邊壁效應(yīng)對流體均勻性分布的影響在工業(yè)反應(yīng)器上，由于反應(yīng)器的直徑D與催化劑的直徑DP之比遠(yuǎn)大于18～25，故邊壁效應(yīng)一般是可以忽略不計的。試驗(yàn)室小試因D/DP較小的緣故，影響就較大，這也是通常小試結(jié)果要比大型工業(yè)裝置效果差的一個重要原因。滴流床反應(yīng)器的軸向返混也是存在的。但根據(jù)Mears的研究，當(dāng)催化劑床層高度H與催化劑顆粒直徑DP之比大于350時，軸向返混可以忽略不計。筒體及內(nèi)構(gòu)件的材料選擇氫腐蝕是在高溫高壓下，侵入并擴(kuò)散在鋼中的氫與固溶碳或碳化物反應(yīng)，使晶界及非金屬夾雜物的周圍產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。氫原子可以在鋼的結(jié)晶格子內(nèi)部移動，而與碳反應(yīng)生成的甲烷分子是不能從鋼中逸出的。因此，該甲烷以晶界及其附近的空隙、雜質(zhì)、不連續(xù)部分為起點(diǎn)積聚，形成甲烷空隙，在空隙內(nèi)壓力上升的同時，形成微小縫隙。從這一階段開始，鋼材的強(qiáng)度、延性顯著降低，隨后變成稱之為較大縫隙、裂紋、鼓泡、剝離的鋼材損傷。但是，從氫與碳化物反應(yīng)到材料強(qiáng)度顯著降低，是需要經(jīng)過一段時間（潛伏期）的。目前，用現(xiàn)代技術(shù)很難在這個潛伏期間內(nèi)發(fā)現(xiàn)氫腐蝕征兆。筒體及內(nèi)構(gòu)件的材料選擇臨氫操作的壓力容器應(yīng)按APIRP941中的納爾遜曲線（Nelson）來選擇合適的材料。它表示了鋼材在臨氫條件下的使用界限（包括一部分潛伏期）。該曲線是總結(jié)了實(shí)際裝置中由于高溫高壓臨氫所引起的事故，經(jīng)過成功和失敗實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計繪制的。該曲線一般每五年更新一次，是目前設(shè)計和使用單位為加氫設(shè)備選擇材料的基礎(chǔ)。器壁形式加氫反應(yīng)器按其結(jié)構(gòu)特征可分為：冷壁反應(yīng)器和熱壁反應(yīng)器。冷壁反應(yīng)器是在設(shè)備內(nèi)壁設(shè)置非金屬隔熱層，有些并在隔熱層內(nèi)襯不銹鋼套。由于有內(nèi)隔熱層，可使反應(yīng)器的設(shè)計壁溫降至300℃以下，因而就可以選用15CrMoR或碳鋼，內(nèi)壁也不用堆焊不銹鋼了。冷壁反應(yīng)器內(nèi)的非金屬隔熱層在介質(zhì)的沖刷下，或在溫度的變化中易損壞，操作一段時間可能就需要修理或更換，且施工和修理費(fèi)用較高。如果在操作時襯里脫落，襯里脫落處及其附近的反應(yīng)器器壁就會超過設(shè)計溫度，從反應(yīng)器外部看，該處的變色漆就會變色。由此造成了反應(yīng)器的不安全隱患，嚴(yán)重時甚至造成裝置的被迫停車器壁形式熱壁加氫反應(yīng)器的器壁直接與介質(zhì)接觸，器壁溫度與操作溫度（420℃左右）基本一致。所以被稱為熱壁反應(yīng)器。雖然熱壁加氫反應(yīng)器的制造難度較大，一次性投資較高，但它可以保證長周期安全運(yùn)行，目前已在國際上普遍采用我國是在八十年代末第一重型機(jī)械集團(tuán)公司抓住齊魯石化公司渣油加氫項(xiàng)目的機(jī)遇，在國外廠商的協(xié)助下，以反承包的形式制造了我國第一臺熱壁加氫反應(yīng)器。通過消化吸收國外技術(shù)和國內(nèi)自行研制開發(fā)，我國制造熱壁加氫反應(yīng)器的技術(shù)日臻成熟，國產(chǎn)化率逐年提高。鍛焊和板焊式鑒于國內(nèi)制造廠的卷板能力，器壁厚度在120mm以內(nèi)時，反應(yīng)器殼體就可用鋼板卷制，然后焊接成圓筒殼。以這種方式制造的反應(yīng)器就稱之為板焊式加氫反應(yīng)器。而當(dāng)壁厚超過120mm，受卷板機(jī)能力限制，殼體由水壓機(jī)鍛制成型的。鍛制的筒節(jié)沒有縱焊縫，而只有兩圓筒節(jié)之間的環(huán)焊縫。鍛制的圓筒殼內(nèi)外表面機(jī)加工到設(shè)計尺寸，再在內(nèi)壁堆焊上不銹鋼防腐層的反應(yīng)器就成為了鍛焊式反應(yīng)器。防腐層反應(yīng)器基體一般采用Cr-Mo鋼制造,這僅考慮了材料抗高溫氫腐蝕，而沒有考慮到H2S的腐蝕。為了抵抗高溫H2S的腐蝕，就必須在反應(yīng)器殼體基材上附加不銹鋼防腐層。堆焊層一般為雙層，與Cr-Mo鋼直接接觸的為過渡層，材料為E309L型不銹鋼，在過渡層之上與介質(zhì)直接接觸的為表層，材料為E347型不銹鋼。309L堆焊層是為了在2.25Cr-1Mo鋼與E347堆焊層之間獲得具有較高韌性的過渡層，以阻止表面裂紋向母材擴(kuò)展。E347堆焊層則是為了能有效地抵抗硫化氫的腐蝕。E347是一種抗腐蝕性能較強(qiáng)的含鈮不銹鋼材料。入口擴(kuò)散器入口擴(kuò)散器是介質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器遇到的第一個部件將進(jìn)來的介質(zhì)擴(kuò)散到反應(yīng)器的整個截面上；消除氣、液介質(zhì)對頂分配盤的垂直沖擊，為分配盤的穩(wěn)定工作創(chuàng)造條件；通過擾動促使氣液兩相混合分配盤在催化劑床層上面，采用分配盤是為了均布反應(yīng)介質(zhì)，改善其流動狀況，實(shí)現(xiàn)與催化劑的良好接觸，進(jìn)而達(dá)到徑向和軸向的均勻分布。分配盤由塔盤板和在該板上均布的分配器組成。分配器有多種形式：長短管分配器；斜口管分配器；V形缺口分配器；泡帽分配器等。分配盤烴類的加氫反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，對多床層的加氫反應(yīng)器來說，油氣和氫氣在上一床層反應(yīng)后溫度將升高，為了下一床層繼續(xù)有效反應(yīng)的需要，必須在兩床層間引入冷氫氣來控制溫度。將冷氫氣引入反應(yīng)器內(nèi)部并加以散布的管子被稱為冷氫管。冷氫加入系統(tǒng)的作用和要求是：均勻、穩(wěn)定地供給足夠的冷氫量；必須使冷氫與熱反應(yīng)物充分混合，在進(jìn)入下一床層時有一均勻的溫度和物料分布。冷氫管冷氫管按形式分直插式、樹枝狀形式和環(huán)形結(jié)構(gòu)。對于直徑較小的反應(yīng)器，采用結(jié)構(gòu)簡單便于安裝的直插式結(jié)構(gòu)即可。對于直徑較大的反應(yīng)器，直插式冷氫管打入的冷氫與上層反應(yīng)后的油氣混合效果就不好，直接影響了冷氫箱的再混合效果。這時就應(yīng)采用樹枝狀或環(huán)形結(jié)構(gòu)。冷氫管冷氫箱實(shí)為混合箱和預(yù)分配盤的組合體。它是加氫反應(yīng)器內(nèi)的熱反應(yīng)物與冷氫氣進(jìn)行混合及熱量交換的場所。其作用是將上床層流下來的反應(yīng)產(chǎn)物與冷氫管注入的冷氫在箱內(nèi)進(jìn)行充分混合，以吸收反應(yīng)熱，降低反應(yīng)物溫度，滿足下一催化劑床層的反應(yīng)要求，避免反應(yīng)器超溫。冷氫箱的第一層為擋板盤，擋板上開有節(jié)流孔。由冷氫管出來的冷氫與上一床層反應(yīng)后的油氣在擋板盤上先預(yù)混合，然后由節(jié)流孔進(jìn)入冷氫箱。進(jìn)入冷氫箱的冷氫氣和上床層下來的熱油氣經(jīng)過反復(fù)折流混合，就流向冷氫箱的第二層——篩板盤，篩板盤，在篩板盤上再次折流強(qiáng)化混合效果，然后在作分配。篩板盤下有時還有一層泡帽分配盤對預(yù)分配后的油氣再作最終的分配。冷氫箱催化劑支撐盤催化劑支撐盤由T形大梁、格柵和絲網(wǎng)組成。大梁的兩邊搭在反應(yīng)器器壁的凸臺上，而格柵則放在大梁和凸臺上。格柵上平鋪一層粗不銹鋼絲網(wǎng)，和一層細(xì)不銹鋼絲網(wǎng)，上面就可以裝填磁球和催化劑了。催化劑支撐大梁和格柵要有足夠的高溫強(qiáng)度和剛度。即在420℃高溫下彎曲變形也很小，且具有一定的抗腐蝕性能。因此，大梁、格柵和絲網(wǎng)的材質(zhì)一般均為不銹鋼。在設(shè)計中一般應(yīng)考慮催化劑支撐盤上催化劑和磁球的重量、催化劑支撐盤本身的重量、床層壓力降和操作液重等載荷，經(jīng)過計算得出支撐大梁和格柵的結(jié)構(gòu)尺寸。加氫反應(yīng)器內(nèi)件改進(jìn)的最新進(jìn)展近年來，國內(nèi)外對加氫反應(yīng)器的研究主要集中在開發(fā)新型內(nèi)構(gòu)件上。旨在增加反應(yīng)器內(nèi)催化劑的有效裝填空間和強(qiáng)化氣液分配效果，以防止溝流、催化劑結(jié)焦，和延長催化劑使用效率和壽命。在反應(yīng)器內(nèi)件選擇和設(shè)計上的失誤不僅要喪失反應(yīng)器的內(nèi)部空間，而且還會影響催化劑的使用效率和壽命。滴流反應(yīng)器內(nèi)有多種內(nèi)件。如：入口分配器、去垢籃、初級和下級氣液分配盤、催化劑支持盤、冷氫箱、混合盤和再分配盤。由于反應(yīng)器內(nèi)件都要占據(jù)一定的空間，而這些空間本來是可以用來填充催化劑的。第一級反應(yīng)器容積利用率約為70%，而第二級反應(yīng)器的容積利用率約為60%。國外新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的工程研究與工業(yè)應(yīng)用文獻(xiàn)報道，最新加氫裂化反應(yīng)器設(shè)計，其容積利用率高達(dá)86%。這項(xiàng)新內(nèi)件技術(shù)縮小或免去了三部分空間：反應(yīng)器入口分配器和去垢保護(hù)區(qū)所占的空間；冷氫和再分配所需的空間；反應(yīng)器出口收集器和催化劑支持材料所占空間。國外新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的工程研究與工業(yè)應(yīng)用文獻(xiàn)報道這項(xiàng)新技術(shù)包括：在頂分配盤上安裝污垢消納盤來減少床層頂部的級配材料。反應(yīng)器內(nèi)裙使頂分配盤安裝位置上移，而使催化劑裝填位置接近反應(yīng)器上切線。采用HD（高擴(kuò)散）分配盤和HD氣液管嘴，使這種分配盤下可以直接裝填催化劑，而不采用其它級配材料，并保證100%分配均勻。HD型分配盤安裝高度很低，催化劑可以裝填到距分配盤100mm處。并且催化劑上不需要再裝任何級配材料。采用專利的超平冷氫箱(UFQ)，與傳統(tǒng)冷氫箱相比，兩床層間距可減小到1～1.4米。并仍保持良好的冷卻和混合效果。催化劑支撐梁伸向催化劑床層內(nèi)，而不是伸向兩床層之間。超平冷氫箱連同HD氣液管嘴可以不必再裝填級配材料，催化劑可以裝填在HD分配盤下100mm的高度。出口采用超平底收集籃，使催化劑可以裝填在反應(yīng)器下切線以下。減少反應(yīng)器底部催化劑支撐層。三種分配盤效果圖國內(nèi)新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的工程研究與工業(yè)應(yīng)用研制新型氣液分配盤最主要的目的就是要克服傳統(tǒng)的氣液分配盤的不足，泡帽的型式和在氣液分配盤上的分布決定著物流的氣液分布和噴灑角度，而氣液分布和噴灑角度決定著催化劑的利用率。冷膜實(shí)驗(yàn)證明：通過調(diào)整泡帽齒縫的尺寸和開度可保證合適的氣液流速和均勻的氣液分布。若在泡帽的物流出口設(shè)置碎流板，可以進(jìn)一步擴(kuò)大氣液噴灑角度。碎流板的形式不同，氣液噴灑角度的改善程度也不同。國內(nèi)新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的工程研究與工業(yè)應(yīng)用通過流體仿真模擬（CFX）可以表明：在泡帽的物流出口設(shè)置雙層碎流板結(jié)構(gòu)形式，不僅噴灑角度可以很好改善，而且起到強(qiáng)化傳質(zhì)的作用。該種形式的泡帽和碎流板其物流分配較傳統(tǒng)的氣液分配盤的分配均勻度提高約40%，床層催化劑的利用率提高約25%。冷氫箱的作用就是使急冷介質(zhì)與熱反應(yīng)產(chǎn)物充分混合并進(jìn)行很好的傳質(zhì)傳熱，使離開冷氫箱的物流達(dá)到溫度分布均勻。新型冷氫系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)化冷氫管設(shè)計，擴(kuò)大冷、熱介質(zhì)的接觸面積,使物流充分混合并換熱。首先通過改變擋板上方的冷氫管設(shè)計來擴(kuò)大急冷氫的噴射面積，使其在特定流速下與來自上方的反應(yīng)產(chǎn)物初步混合傳質(zhì)，為物流進(jìn)入冷氫箱進(jìn)一步進(jìn)行傳質(zhì)傳熱創(chuàng)造了良好條件。優(yōu)化物流的流道設(shè)計，提供冷、熱介質(zhì)的旋流和碰撞，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱。在急冷箱的頂部設(shè)計為帶有兩個節(jié)流孔的擋板，經(jīng)預(yù)混合后的物流，進(jìn)入節(jié)流孔后，分別在特定的環(huán)行和偏心環(huán)行通道內(nèi)流動，起初形成強(qiáng)烈的外旋渦流，經(jīng)過孔道內(nèi)的折流擋板后，再形成較強(qiáng)烈的內(nèi)旋渦流，故物流通過新型急冷箱不僅流動路線比常規(guī)冷氫箱延長了三倍以上。新型冷氫系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)中國石化工程建設(shè)公司已根據(jù)所加工的原料油的輕重，粘度和表面張力的大小，分別開發(fā)了適應(yīng)不同原料，不同氫油比的等工況的系列反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件。這些新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件已獲國家專利。（A）已應(yīng)用在某廠140萬噸/年加氫裂化裝置的反應(yīng)器中（B）已應(yīng)用在某廠150萬噸/年加氫裂化裝置的反應(yīng)器中都取得了相當(dāng)滿意的效果，徑相溫差小于3OC，達(dá)到了當(dāng)前世界的先進(jìn)水平。新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件示意圖導(dǎo)流板隔板開孔板錐帽新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件示意圖反應(yīng)器設(shè)計簡述各種石油餾份加氫大量采用固定床滴流反應(yīng)器。從設(shè)計上看，主要包括以下幾個方面：催化劑裝量；反應(yīng)器直徑和高度；急冷；壓力降。催化劑裝入量催化劑是促進(jìn)反應(yīng)的載體，它能有效地降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行。在加氫反應(yīng)中，以反應(yīng)氫分壓、反應(yīng)溫度、空速和氫油比來表示反應(yīng)條件。而其中的空速則間接表明需要催化劑的裝量。空速有重量空速和體積空速之分。催化劑的裝量計算如下：Vc=Vl/Vs．．．．．．．．． (5.2.1)Vc—催化劑重量噸（重量空速）或體積米3（體積空速）Vl—液體進(jìn)料重量流率噸/時（重量空速）或20℃下體積流率米3/時（體積空速）Vs—空速時-1（重量空速或體積空速）反應(yīng)器直徑和高度反應(yīng)器的直徑和高度沒有嚴(yán)格限制，但考慮到流體分配和制造成本、運(yùn)輸?shù)仍?，反?yīng)器直徑不可過大和過??；考慮催化劑壓碎等因素，也不能過長或太短。因此，通常反應(yīng)器設(shè)計是采用合理的總床高與直徑之比，即高/徑比確定。高/徑比的選擇范圍較廣，從2.5～12均可。對于油品較輕，易于汽化的石油加氫反應(yīng)器，一般選擇2.5～5，通常選擇3；而對于較重油品，不易汽化的石蠟和潤滑油加氫，一般選擇6～12，通常選擇8，并通過床層壓力降核算后確定。反應(yīng)器單個床層高度一般控制在15米以下，最好不要超過9米。確定反應(yīng)器直徑后，就知道了催化劑床層高度。安排好床層數(shù)量后，再加上冷氫盤空間高度、隋性填充物高度和分配器凈空高度后，反應(yīng)器切線高度就確定下來了。急冷石油加氫反應(yīng)的脫硫、脫氮、烯烴飽和、芳烴飽和以及加氫裂化等大多為放熱反應(yīng)，只有蠟分子的異構(gòu)化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。因此，一般加氫反應(yīng)總體表現(xiàn)出放熱現(xiàn)象。為了使反應(yīng)受控，并得到理想的產(chǎn)品分布，通?？刂品磻?yīng)溫升：一般加氫精制