莫秋有

（中國石化 北海煉化有限責任公司，廣西 北海 536016）

加氫反應器是煉油廠重要的工藝設備，其內構件的結構形式和性能對加氫裝置的產(chǎn)品質量、催化劑利用率及安全穩(wěn)定運行均有顯著影響。針對中國石化北海煉化有限責任公司1#柴油加氫裝置反應器運行過程中出現(xiàn)的問題，進行了加氫反應器內構件優(yōu)化改造研究。在新建2#柴油加氫裝置反應器應用了優(yōu)化后的新型內構件，介紹了優(yōu)化改造詳情和應用效果。

1 加氫反應器內構件組成及功能

固定床加氫反應器結構及其主要內構件結構簡圖見圖1。物流從頂部進入反應器，依次經(jīng)過安裝在反應器內的入口擴散器、過濾盤、分配盤、催化劑支撐盤、冷氫管、冷氫箱及出口收集器后，從底部流出。

圖1 固定床加氫反應器及其主要內構件簡圖

入口擴散器氣液物流擴散到整個反應器截面，有效地降低氣液物流高速進入時對過濾盤或分配盤的垂直沖擊力，為下床層提供較好的初始分布狀態(tài)。過濾盤對原料中的雜質和易析出固體組分進行攔截，降低下方床層結焦壓力，降低反應器總壓降，延長反應器的運行周期。分配盤將氣液兩相物流混合，均勻分散到催化劑床層上，實現(xiàn)氣液兩相物流混合物與催化劑的充分接觸。冷氫系統(tǒng)包括冷氫管和冷氫箱，作用是為上部催化劑床層流下的高溫反應油氣和急冷氫氣提供快速混合和換熱的場所，降低反應油氣的溫度，使油氣以均勻分布的組成和溫度流入下一床層。出口收集器對催化劑起到支撐作用，同時對反應物進行過濾，將催化劑固體截留在反應器內，允許氣液相反應產(chǎn)品由底部通過。

2 加氫反應器新型內構件分析研究

2.1 入口擴散器

2.1.1 結構和功能優(yōu)

1#柴油加氫裝置反應器物料經(jīng)入口彎管后產(chǎn)生了偏流，針對偏流開發(fā)出雙錐形入口擴散器，見圖2。

圖2 加氫反應器雙錐形入口擴散器結構圖

雙錐形入口擴散器由上部空心錐形體、雙側糾偏擋板、連接腿和下部2層傘板組成，傘板的開孔及角度可根據(jù)工藝條件進行調整。氣液進料經(jīng)過雙錐形入口擴散器向下流動時，先被垂直方向的雙側糾偏擋板攔截和緩沖，然后進入空心錐形體，在錐形體內繞流后由底板開孔繼續(xù)向下，以噴灑形式流至上層傘板表面，或者通過上層傘板頂部開孔流至下層傘板。經(jīng)過雙側糾偏擋板的攔截和在空心錐形體內的繞流，氣液混合物料的偏流得到了矯正。經(jīng)過2層傘板表面的濺射、傘板開孔的噴射以及傘板邊緣的散射作用，氣液進料得到充分混合，以均勻分散方式流至下方反應器截面上。

雙錐形入口擴散器安裝在反應器頂部，懸掛在頂部法蘭部位，主要實現(xiàn)以下功能，①調整偏流，盡可能實現(xiàn)反應物料在整個反應器截面上的均勻擴散。②緩沖高速流體對下部過濾盤、分配盤的垂直沖擊作用。③促進氣液的預混合。④提供給下部過濾盤、分配盤較好的初始液相分布。

2.1.2 應用效果驗證

新建2#柴油加氫裝置反應器數(shù)值模擬計算和冷模試驗測試結果表明，雙錐形入口擴散器在基準工況的30%～120%負荷內能夠有效糾正偏流，并為下部過濾盤、分配盤提供較好的初始分布，在測試工況范圍內壓降為1.23～7.65 kPa。采用雙錐形入口擴散器的加氫反應器入口物料速度分布數(shù)值模擬示意圖見圖3。

圖3 采用雙錐形入口擴散器加氫反應器入口物料速度分布數(shù)值分析示圖

2.2 過濾分配盤

傳統(tǒng)加氫反應器使用積垢籃筐過濾原料。積垢籃框設置在分配盤下部催化劑床層的頂部，由不銹鋼金屬網(wǎng)和骨架構成，這種結構為物料提供了更多的流通面積。但對于已經(jīng)實現(xiàn)了平均分配的物料，這種結構消除了分配盤的液體均布效果，導致床層物料溝流，降低了催化劑的利用率和轉化率，導致催化劑床層的徑向溫度升高，同時還占用了反應器的有效空間。1#柴油加氫反應器內構件設計為傳統(tǒng)積垢籃筐結構，因不利影響已被摒棄，在新建2#柴油加氫裝置反應器使用了新型內件過濾分配盤結構。

過濾分配盤繼承了傳統(tǒng)積垢籃筐對原料的過濾、對部分機械雜質和析出的晶體雜質的攔截作用，創(chuàng)新性地將過濾盤分塊安裝在反應器的頂部封頭內。過濾分配盤分塊結構示意圖見圖4。

圖4 加氫反應器過濾分配盤分塊結構示圖

過濾分配盤底部及側面為約翰遜網(wǎng)，約翰遜網(wǎng)的過濾精度為25 μm。過濾分配盤的分塊尺寸和數(shù)量根據(jù)反應器的封頭尺寸確定。這種結構解決了反應器壓降隨著生產(chǎn)周期延長而增加過快的問題，實現(xiàn)了反應器尺寸大型化后封頭內空間的高效利用。

確定反應器封頭內過濾分配盤的分塊尺寸和數(shù)量時，盤框之間的縫隙尺寸按照滿足流通面積是反應器入口管道截面積25～30倍的規(guī)則確定，以保證不產(chǎn)生大的壓降。通過數(shù)值模擬計算，滿液工況下過濾分配盤的壓降仍小于100 Pa。

2.3 氣液分配器

2.3.1 結構和功能優(yōu)化

氣液分配器為氣液兩相流體混合和相互作用提供場所，使液體破碎成液滴分散到氣流中，并隨氣體落到固定床下層床層，使液體在催化劑床層上形成初始分布。液體分布的均勻性會直接影響下游催化劑的潤濕程度和使用效率，設計不合理的分配器結構，會造成加氫反應在催化劑床層的不均勻進行，導致徑向溫差過大，降低催化劑的使用效率和壽命，甚至造成產(chǎn)品質量的不達標。傳統(tǒng)加氫反應器分配器大多為泡帽，安裝精度要求較高，結構較復雜。泡帽的使用會使下降管中產(chǎn)生比較明顯的中心匯流現(xiàn)象。新型180°撞擊板管式氣液分配器結構見圖5。

圖5 180°撞擊板管式氣液分配器結構示圖

180°撞擊板管式氣液分配器結構和獲得的優(yōu)化功能特點為，①中心管為直管結構，采用商用標準管徑，便于采購和加工，節(jié)省制造成本。②頂部設蓋板，避免上方來流對分配器的分布性能產(chǎn)生影響。中心管頂部開槽孔，作為氣相通道。③開設3層溢流孔，當液相負荷較大或者液面較高時，溢流面積逐漸增大，溢流速度加快，通過氣液分配器控制分配盤上方液位高度，實現(xiàn)較大的操作彈性。④采用180°撞擊板結構，撞擊板直徑大于中心管外徑，氣液混合物流在180°撞擊板上進行折流擴散，具有近乎180°的大擴散角，能夠保證在低空高 （空高為分配盤下部到催化劑上部空間高度）下實現(xiàn)氣液均布。⑤內設孔板，強化管內湍動，既有利于氣液相間的混合，又利于對液相的破碎和分散，可有效改善貼壁流造成的中心匯流。

2.3.2 應用效果驗證

通過冷模試驗對180°撞擊板管式氣液分配器性能進行測試。測試結果表明，氣相或液相負荷在30%～150%變化時，管式氣液分配器徑向液體分布數(shù)據(jù)基本平穩(wěn)，能夠實現(xiàn)液體在反應器徑向截面上的均布。氣液相負荷在基準工況的10%～150%時，壓降由0.2 kPa增大到22.5 kPa。

對180°撞擊板管式氣液分配器分配盤的物料分配性能進行了ANSYS軟件分析，得到的物料分配參數(shù)分布示意圖見圖6～圖8。對比了幾種常見分配器的分配效果，見圖9。對比了180°撞擊板管式氣液分配器與國際領先技術的氣液分配器結構參數(shù)，見表1。

圖6 加氫反應器180°撞擊板管式氣液分配盤物料液相流速分布

圖7 加氫反應器180°撞擊板管式氣液分配盤物料湍流強度分布

圖8 加氫反應器180°撞擊板管式氣液分配盤下方徑向截面油氣分布

圖9 各分配器分配效果對比

表1 氣液分配器結構參數(shù)對比 mm

表1中，類型1代表國際領先技術，類型2代表180°撞擊板管式氣液分配器。類型3代表1#R101泡帽分配器。類型1為2層溢流孔，表中2個溢流孔直徑依次表示靠下方位的孔徑和靠上方位的孔徑。類型2為3層溢流孔，表中3個溢流孔直徑依次表示下、中、上3個方位的孔徑，溢流孔高度數(shù)據(jù)個數(shù)與方位的對應關系與溢流孔直徑的類似。

綜合分析ANSYS數(shù)值模擬計算、國內外同類技術對比及氣液分配器結構參數(shù)對比結果后認為，180°撞擊板管式氣液分配器中心管直徑較小，在結構參數(shù)和占用反應器空高方面更具優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)分配盤上盡可能多的排布，利于流體流速的控制，更小的分配盤上和盤下空高有利于提高反應器的空間利用，降低反應器設備投資。

2.4 冷氫管

冷氫管是循環(huán)冷氫從壓縮機到加氫反應器2個床層間的導通管。1#柴油加氫裝置反應器采用樹杈狀或者環(huán)形冷氫管，這些結構未考慮冷氫管在油氣快速混合和冷卻中的作用，冷氫管和冷氫箱間的空間沒有得到有效利用。新型冷氫管為旋流結構，組件包括主體環(huán)管和噴嘴，噴嘴安裝在環(huán)管內、外兩側，總體上沿著環(huán)管圓周均勻分布，內側噴嘴逆時針開口，外側噴嘴順時針開口。旋流冷氫管結構見圖10。

圖10 加氫反應器旋流冷氫管結構示圖

冷氫管結構改進后，冷氫在環(huán)管內、外側水平截面內形成逆向旋流，冷氫旋流帶動上層熱流體在冷氫管和冷氫箱間隔的空間內快速混合，通過這種方式增加一個冷氫氣與熱油氣的預換熱過程，更利于高溫反應物流的快速降溫。

2.5 冷氫箱

傳統(tǒng)的冷氫箱多數(shù)以箱體結構為主，通過為氣液兩相提供接觸面來實現(xiàn)換熱，改進多數(shù)集中在箱體內部，通過增設擋板、擾流板等提高換熱效率、延長流道和強化湍動。

1#柴油加氫裝置反應器采用的旋流冷氫箱為傳統(tǒng)箱體結構，存在氣液間接觸面積有限和相互作用不強的缺點，限制了混合傳熱性能的進一步提高。從改變換熱機理入手新型冷氫箱設計結構改進，改流體的旋流接觸為對撞混合，冷氫箱因而稱為對撞混合冷氫箱。

對撞混合冷氫箱組成分為對撞箱和受液盤2部分。對撞箱由頂板、底板、流道板及曲面擋板組成。設置8塊流道板將底板和頂板間隔區(qū)域分為8個扇形流道。通過在扇形流道內設置曲面擋板，使8個扇形流道中的4個全封閉、2個半封閉、2個全開。4個封閉流道、2個半封閉流道與2個未封閉流道交替排列，保證相同結構兩兩相對。受液盤由底板、溢流堰及降液孔組成，溢流堰頂部為鋸齒結構。

工作狀態(tài)下，氫氣和高溫油氣經(jīng)過冷氫管預換熱后與高溫油相由上而下落在對撞箱的底板上，氣液混合沿著流通面積逐漸減小的流道板加速流動，經(jīng)由2個半封閉流道和2個全開流道的出口流出，兩兩相對撞擊，在圓柱形撞擊區(qū)域內發(fā)生快速的混合和換熱，對熱油進行降溫。之后混合流體折流向下，在受液盤上進行二次快速撞擊，受液盤會將大量液體反彈回對撞箱的底板，在底板和受液盤上進行多次往復后流向下一層分配盤。對撞混合冷氫箱結構見圖11。

圖11 加氫反應器對撞混合冷氫箱結構示圖

新型對撞混合冷氫箱結構設計從氣液兩相的作用方式入手，通過扇形流道設計，引導流體分為若干股，進行兩兩相撞。通過流道控制，兩股相對流體的速度均可達到10～30 m/s，通過高速撞擊，形成一個高度湍動、相對速度成倍增加的撞擊區(qū)，在該區(qū)域內，兩相間的傳熱系數(shù)增大，極大地強化了相間傳熱。同時流道的流通面積可通過直徑控制，當大型反應器尺寸和處理量放大時，無需在軸向上進行適應性放大，就能實現(xiàn)低占用高度內的冷氫與油氣的快速混合式降溫[10]。

對對撞混合冷氫箱進行了冷模試驗測試，試驗裝置見圖12。試驗結果表明，該結構冷氫箱操作彈性大，在基準工況的10%～130%都能表現(xiàn)出良好的換熱性能,在試驗工況范圍內壓降變幅為0.6～27.36 kPa。

圖12 加氫反應器新型內構件冷模試驗裝置

3 工業(yè)應用情況

以新建2#柴油加氫裝置工藝數(shù)據(jù)為基礎，對2臺固定床加氫反應器R101/R102的內構件進行設計，全部采用新型內構件，部分內構件的安裝圖見圖13。

圖13 2#柴油加氫裝置固定床加氫反應器部分內構件安裝圖

3.1 應用介紹

徑向溫差和壓降是評價加氫反應器內構件性能及物料分配效果的重要指標，但評價過程的影響涉及催化劑裝填方式、催化劑粒徑及強度、原料性質及積垢、熱電偶精度及誤差以及測溫點徑向水平度等因素，理論分析和數(shù)值仿真的準確性均有限[11]。裝置開工運行正常后，對2臺加氫反應器內各床層徑向溫差和反應器壓降進行實時監(jiān)測，操作負荷為設計值100%工況條件下的徑向溫差及反應器壓降情況，見圖14。

圖14 2#柴油加氫裝置反應器床層溫度分布及壓降

對圖14的結果進行總結可知，隨裝置操作負荷的調整，在60%～120%負荷條件下，各催化劑床層徑向溫差均小于3℃，大部分床層徑向溫差小于1℃，證明分配盤、冷氫盤的應用效果較好。隨裝置操作負荷的調整，在60%～120%負荷條件下，R101壓降為 0.07～0.10 MPa，反應器 R102壓降為0.04～0.06 MPa，單臺反應器的壓降均小于0.1 MPa，反應器壓降低。

3.2 經(jīng)濟性分析

（1）設備投資費用節(jié)省約40萬元。 對新建2#柴油加氫裝置2臺反應器R101（φ3 400 mm×23 000 mm）/R102（φ3 200 mm×13 000 mm）設計核算，采用新型內構件，R101設備筒體軸向高度降低520 mm，R102設備筒體軸向高度降低285 mm，設備質量減少約8 t，單價4.5萬元/t；內件重量減少約0.5 t，單價9萬元/t，計算可知設備投資費用節(jié)省約40萬元。

（2）裝置能耗可節(jié)省約99萬元/a。2#柴油加氫裝反應器R101床層運行壓降約為0.09 MPa，R102的為0.05 MPa。1#柴油加氫裝置反應器R101（φ4 200 mm×24 000 mm）/R102（φ4 600 mm×23 000 mm）/壓降每臺約 0.3 MPa，2#裝置比 1#裝置反應系統(tǒng)壓降降低約0.3 MPa,循環(huán)氫壓縮機節(jié)省3.5 MPa蒸汽約0.5 t/h（單價190元/t），新氫壓縮機及原料泵每小時降低電耗大約20 kW·h（單價0.56元/（kW·h）），可節(jié)約循環(huán)冷卻水約30 t/h(單價0.3元/t)，經(jīng)計算裝置能耗可節(jié)省約 99萬元 /a。

（3）延長裝置運行周期，節(jié)省檢修費用，提升裝置安全性。根據(jù)標定，新建2#柴油加氫裝置反應器徑向溫差和壓降低，油氣分布得到了改善，提高了催化劑利用率，可延長裝置安全運行周期，對比1#柴油加氫裝置約2 a需要停工催化劑撇頭換劑檢修一次，可大大節(jié)省檢修費用，提升裝置安全性。

3.3 問題及建議

新建2#柴油加氫裝置加氫反應器應用新型內構件后，發(fā)現(xiàn)的問題及應對建議策略總結如下，①固定床加氫反應器內構件量大，且都為不銹鋼材料，費用高，新型內構件推廣應用緩慢，設計、制造與工業(yè)應用各環(huán)節(jié)需要加強溝通。②反應器內構件制造、安裝精度與新型技術要求存在偏離，因反應器內構件使用壽命長，初始安裝非常重要，大部分為首次安裝后長期使用，必須選用專業(yè)內構件生產(chǎn)商和專業(yè)安裝單位，廠家全程技術指導，做好安裝技術交底，抓好全過程質量監(jiān)控，確保制造、安裝質量滿足設計要求。③生產(chǎn)過程要加強原料油性質監(jiān)控，加強原料過濾管理，加強工藝操作管理，確保在工藝指標內使用[12-15]。

4 結語

新型內構件在新建2#柴油加氫裝置加氫反應器的工業(yè)應用取得了良好效果，有效降低了反應器壓降，節(jié)省了設備投資費用，降低了裝置運行能耗，為裝置安全長周期運行提供了保障,為現(xiàn)有加氫裝置反應器內構件改造及延長裝置生產(chǎn)周期提供了技術支持，對推動大型固定床加氫反應器內構件技術改進及應用具有重要意義。