加氫反應(yīng)器的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)的作用說明

加氫反應(yīng)器是加氫裝置的核心設(shè)備，也是加氫工藝的關(guān)鍵。你知道它的運(yùn)行原理，結(jié)構(gòu)組成嗎？有哪些構(gòu)件，這些構(gòu)件又在反應(yīng)器中扮演什么“角色”呢？

加氫反應(yīng)器操作于高溫高壓臨氫環(huán)境下，并且進(jìn)入反應(yīng)器的物料往往都含有硫和氮等雜質(zhì)，和氫反應(yīng)生成具有腐蝕性的硫化氫和氨。另外，加氫反應(yīng)是放熱反應(yīng)，會(huì)使床層溫度升高，但又不能出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。

加氫反應(yīng)器的分類

依據(jù)催化加氫過程進(jìn)料原料油性質(zhì)的不同，相應(yīng)地所采用的工藝流程和催化劑是不相同的，其反應(yīng)的形式也有各異，一般有三種類型：固定床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器。

根據(jù)反應(yīng)器使用狀態(tài)下，高溫介質(zhì)是否與器壁接觸，可以分為冷壁結(jié)構(gòu)及熱壁結(jié)構(gòu)。

冷壁式反應(yīng)器

冷壁式反應(yīng)器是在設(shè)備內(nèi)壁設(shè)置非金屬隔熱層，有些還在隔熱層內(nèi)襯不銹鋼套，使反應(yīng)器的設(shè)計(jì)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，從而大大降低了制造難度。

但由于冷壁式反應(yīng)器的隔熱層占據(jù)內(nèi)殼空間，減少了反應(yīng)器容積的利用率，浪費(fèi)了材料，而且冷壁式反應(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(shí)間后可能就需要修理或更換，且施工和修理費(fèi)用較高。如果操作時(shí)襯里脫落，襯里脫落處附近的反應(yīng)器壁會(huì)超過設(shè)計(jì)溫度，從外觀看，該處油漆會(huì)變色。因此反應(yīng)器的不安全隱患大大增加，嚴(yán)重時(shí)甚至造成裝置的被迫停車。

熱壁式反應(yīng)器

熱壁式反應(yīng)器的器壁直接與介質(zhì)接觸，器壁溫度與操作溫度基本一致，所以被稱為熱壁式反應(yīng)器。雖然熱壁反應(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。

加氫反應(yīng)器的內(nèi)構(gòu)件

加氫過程由于存在有氣、液、固三相的放熱反應(yīng)，欲使反應(yīng)進(jìn)料（氣、液兩相）與催化劑（固相）充分、均勻、有效地接觸，加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)有多個(gè)催化劑床層，在每個(gè)床層的頂部都設(shè)置有分配盤，并在兩個(gè)床層之間設(shè)有溫控結(jié)構(gòu)（冷氫箱），以確保加氫裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)和延長催化劑的使用壽命。

反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有入口擴(kuò)散器、分配盤、積垢籃、催化劑支撐盤、催化劑卸料管、冷氫管、冷氫箱、出口收集器、熱電偶等反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件。

入口擴(kuò)散器

來自反應(yīng)器入口的介質(zhì)首先經(jīng)過入口擴(kuò)散器，在上部錐形體整流后，經(jīng)上下兩擋板的兩層孔的節(jié)流、碰撞后被擴(kuò)散到整個(gè)反應(yīng)器截面上。

其主要作用為：一是將進(jìn)入的介質(zhì)擴(kuò)散到反應(yīng)器的整個(gè)截面上。二是消除氣、液介質(zhì)對(duì)頂分配盤的垂直沖擊，為分配盤的穩(wěn)定工作創(chuàng)造條件。三是通過擾動(dòng)，促使氣液兩相混合。

分配盤

頂部分配盤由塔盤板和在該板上均布的分配器組成。頂部分配盤在催化劑床層上面，目的是為了均布反應(yīng)介質(zhì)，改善其流動(dòng)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。分配器種類比較多，我國自行設(shè)計(jì)制造的加氫反應(yīng)器多采用泡帽型分配器。

為了更好的將進(jìn)入下降管的液體破碎成液滴，并將液體的流動(dòng)方向由垂直改變?yōu)樾毕蛳?，造成進(jìn)一步的擴(kuò)散，還可在泡帽下面增加破碎器。

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(dòng)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。

積垢籃

由不同規(guī)格的不銹鋼金屬網(wǎng)和骨架構(gòu)成的籃框，置于反應(yīng)器上部催化劑床層的頂部，可為反應(yīng)物流提供更大的流通面積，在上部催化劑床層的頂部撲集更多的機(jī)械雜質(zhì)的沉積物，而又不致引起反應(yīng)器壓力降過快地增長。

積垢籃框在反應(yīng)器內(nèi)截面上呈等邊三角形均勻排列，其內(nèi)是空的（不裝填催化劑或瓷球），安裝好后要須用不銹鋼鏈將其穿連在一起，并牢固地拴在其上部分配盤地支撐梁上，不銹鋼金屬鏈條要有足夠地長度裕量（按床層高度下沉5％考慮），以便能適應(yīng)催化劑床層的下沉。

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(tái)上，而格柵則放在大梁和凸臺(tái)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)均為不銹鋼。在設(shè)計(jì)中應(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(jì)算得出支撐大梁和格柵的結(jié)構(gòu)尺寸。

催化劑卸料管

固定床反應(yīng)器每一催化劑床層下部均安裝有若干根卸料管，跨過催化劑支撐盤、物料分配盤及冷氫箱，通向下一床層，作為在反應(yīng)器停工卸除催化劑的卸劑通道。

冷氫管

烴類加氫反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，對(duì)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(shí)有一均勻的溫度和物料分布。

冷氫管按形式分直插式、樹枝狀形式和環(huán)形結(jié)構(gòu)。

對(duì)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(duì)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(shí)就應(yīng)采用樹枝狀或環(huán)形結(jié)構(gòu)。

冷氫箱

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(shí)還有一層泡帽分配盤對(duì)預(yù)分配后的油氣再作最終的分配。

出口收集器

出口收集器是個(gè)帽狀部件，頂部有圓孔，側(cè)壁有長孔，覆蓋不銹鋼網(wǎng)。其作用主要是阻止反應(yīng)器底部的瓷球從出口漏出，并導(dǎo)出流體。

反應(yīng)器底部的出口收集器，用于支撐下部的催化劑床層，減小床層的壓降和改善反應(yīng)物料的分配。出口收集器與下端封頭接觸的下沿開有數(shù)個(gè)缺口，供停工時(shí)排液用。

熱電偶

為監(jiān)視加氫放熱反應(yīng)引起床層溫度升高及床層截面溫度分布狀況而對(duì)操作溫度進(jìn)行監(jiān)控。

加氫反應(yīng)器的損傷形式

高溫氫腐蝕

氫脆

高溫硫化氫的腐蝕

連多硫酸引起的應(yīng)力腐蝕開裂

鉻—鉬鋼的回火脆性

奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離