_第一节 反应器.doc

第一节 反应器
第一小节 反应器的分类介绍
一、反应器按制造材质的分类：
反应器按制造材质可分为热壁反应器和冷壁反应器两种。
1. 热壁反应器：
采用能抗高温氢腐蚀的鉻钼钢制造筒体，这种反应器结构简单，制造方便，便于安装。国外鉻钼钢较多，因此多采用热壁反应器。
2. 冷壁反应器：
采用隔热混凝土衬在反应器内壁，使反应器筒体壁温由530-570℃降到 200℃以下，这样使氢气达到筒体时的温度大为降低，可避免高温氢腐蚀的出现，筒体材质可选用碳钢，常用16Mn钢。冷壁反应器在隔热混凝土之内应加一个1Cr18Ni9Ti的不锈钢衬筒，以防混凝土破落污染催化剂。
二、反应器按油气的流动方向分类：
反应器按油气的流动方向可分为轴向反应器和径向反应器。
1. 轴向反应器：
轴向反应器是指流体通过催化剂床层沿轴向方向流动，它是柱型筒体，入口有入口分配器，出口设有油气收集器。它的优点是结构比较简单，缺点是床层压降较大。
2. 径向反应器：
径向反应器是指流体通过催化剂床层沿半径方向流动。它的内壁均布扇形筒，使油气在反应器内形成径向流动，中心管是径向反应器的重要组成部分。它是由内管、定距圆钢和外包丝网或外包冲孔板构成。因为在径向反应器中，油气的流通面积是比轴向反应器横截面积大得多的环形通道，且床层厚度也比轴向反应器薄，所以它的床层压降较小，这是径向反应器的最大优点。
三、轴向反应器的主要零部件：
1. 衬里：通常用0Cr25Ni13不锈钢抗H2S腐蚀材质做成。
2. 入口扩散器：作用是使油气均匀分配，防止冲分配盘。
3. 分配盘：通常用泡帽盘分块形式。
4. 除垢篮筐：作用是去除积垢，如FeS等杂质。
5. 催化剂支承盘：通常采用T型结构。
6. 急冷箱：由冷氢盘、再分配盘和连通管组成。
7. 催化剂卸料口及反应产物的出口：
8. 附属设施：包括裙座、壁温测点及热电偶口。
四、轴向反应器的主要零部件介绍：
1. 反应器进口扩散器：
反应器进料从入口进入反应器，一般流速较大，而且集中在反应器中部，为防止其直接冲到分配板上，故在反应器入口处袋一个扩散器。扩散器有两个孔道，进入反应器的油气流向和孔道垂直，这样当液流进入反应器的扩散器后，不致从某一孔道处短路流出，造成分配不匀。
2. 液体分配板（盘）：
液体分配盘的泡帽是保证液体分布均匀的重要部分，分配盘上装有带齿缝的圆形泡帽。当气液两相物料进到分配盘上后，在分配盘上就建立了液层。气体从齿缝通过，同时把液体从环形空间带上去进入下降管。如果液体负荷大，可能淹没一部分齿缝面积，但由于减小了气体通路面积，增大了气体的流速，从而相应的又会多带走一部分液体，最终达到平衡。从下降管下来的液体呈锥状喷洒到催化剂床层上。这种结构型式的分配盘传热效率高，而且对安装水平度的敏感度不大。为了便于装卸催化剂，这种分配板由几部分做成，升气管与盘板滚压嵌接成一体，达到基本密封。
3. 筒式滤油器（或称过滤篮筐）：
筒式滤油器安装在反应器顶部，它给进料提供更大的表面积，这样，就允许催化剂床层积蓄较多的垢屑或沉积物而不致过度增大床层压降，每个滤油筒是空心的，用链条结在一起，并用链条锁固在支持梁上，以防止卸催化剂时堵塞催化剂卸料管。链条的长度必须足够松弛，以使滤油筒随催化剂床层下沉。据生产经验，在运转期间，催化剂床层下沉量约为5％。
4. 催化剂床层支持件：
支持催化剂床层的结构件是Ｔ形梁，格栅，筛网和瓷球。Ｔ形横梁横跨筒体，顶部逐步变尖，以减少阻力。
5. 急冷箱和再分布板：
急冷箱的作用是将上面床层流下来的反应物料和冷氢充分混合，使物料进入下一层催化剂床层之前重新分布均匀。急冷箱安装在冷氢管下面，由三块板组成，第一层板是截流板，把反应物料集合起来排入急冷箱。在这层板上，只开两个孔，使全部物料和氢气都必须从这两个孔通过，使冷氢和反应物料充分混合。急冷箱置于急冷盘和喷洒盘（筛板）之间，油气在此混合，筛板喷洒盘上开有很多小孔，使急冷箱物料由此进到第三块板，即泡帽再分布板，再从再分布板进入下一层催化剂床层上。这种结构可保证床层温度非常均匀，每个床层底部的温差都小于1℃。
6. 出口管上面的集油器：
它起支撑下层催化剂床层的作用，在集油器周围添入瓷球。
第二小节 反应器在开、停工时的保护措施
一、当反应器开始升压时，在操作温度升到135℃以前，操作压力不得超过3.43MPa（G）。同理，当反应器降压时，操作压力降至3.43MPa( G )以前，其操作温度必须维持在135℃以上，该措施的目的是保证壳壁在121℃以下所承受的拉应力不超过材料屈服强度的20% 。
二、当反应器的操作温度低于135℃时，升温速度应尽量≤28℃/h,当反应器的操作温度在 93℃以上时，其降温速度应尽可能缓慢。
三、设备长期操作后，不能用常温水对反应器进行水压试验；再次开工时，若进行氮气气密试验，应满足第一条的要求。
四、停工期间应尽量避免奥氏体不锈钢内件和堆焊层与空气接触，目的是防止连多硫酸(H2S×O6)形成，进而引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂。
当不用更换催化剂时，应将反应器与整个反应系统隔开，并充以N2加以保护或维持反应器处于热态（譬如100℃以上）。
当需要更换催化剂时，在催化剂卸除并将反应器内部清理干净后，建议用碱性溶液进行中和处理。
第三小节 技术问答
1、什么叫反应器，如何分类？
答：反应器是石油化工过程中主在用来完成介质的化学，物理反应的设备。
按反应器的器壁温度分为：热壁和冷壁反应器。
按反应器内介质流向可分为：径向和轴向反应器。
按反应器内催化剂床层的状态可分为：固定床、流动床反应器。
2、什么叫热壁和冷壁反应器？
答：热壁和冷壁是从反应器的壁温来区分的，壁温跟反应温度相差不大，即没有内隔热层的叫热壁反应器，由于内隔热层的作用，使反应器壁温远小于反应温度的叫冷壁反应器。
3、何谓轴向和径向反应器？各有何优缺点？
答：轴向反应器就是反应介质顺着反应器轴向通过催化剂床层完成反应的反应器，径向反应器就是反应介质顺着反应器半径方向通过催化剂床层完成反应的反应器，其介质流向如下图所示：

由于反应器轴向高度比半径长，因此介质通过轴向反应器时的压力降比流过径向反应器催化剂床层时要大，这不免要增加动力设备的消耗，但是轴向反应器的结构简单，制造方便。而径向反应器包括很多内件（如中心管、帽罩、扇形筒等），使得结构复杂，制造安装不便，但可以减少动力设备的消耗。
4、反应器压差增大的原因有哪些？
答：①床层堵塞：即系统管线的腐蚀产物被带到反应器所生成。
②催化剂结焦：是催化剂床层局部超温，运行时间过长或原料过重等原因引起的。
③催化剂粉碎：催化剂装填方法不对，催化剂干燥时升温太快，反应器内压差太大都会使催化剂破碎。
④出口集合管堵塞：一般由催化剂跑到过滤网上或瓷球破碎引起。
5、炼油厂反应器的主要类型有哪些？
答：炼油厂反应器主要分两大类：流动床反应器、固定床反应器。
6、轴向反应器的主要内构件有哪些？
答：主要内构件有：
（1）顶部分配盘：将进口来的反应原料油均匀分布在催化剂床层以避免冲散催化剂或原料油偏流。
（2）催化剂支持盘：承载反应器上层催化剂，达到催化剂分层设置的目的。
（3）催化剂卸料管：用于卸落上层催化剂。
（4）冷氢盘：向反应器注入冷氢，控制下层催化剂床层温度。
（5）积垢篮：搜集物流带进来的杂质，防止污染催化剂。
（6）分配盘：使物料均匀分布并均匀通过催化剂床层。
（7）出料集合管：收集反应器的物料离开反应器，并阻止催化剂流失。
（8）卸料管：用于卸催化剂。
7、装置反应器开、停工注意的问题？
答：（1）当反应器开始升压时，在操作温度升到135℃以前，操作压力不得超过3.43Mpa，同理，当反应器降压时，操作压力降至3.43Mpa之前，其操作温度必须维持在135℃以上。
（2）当反应器的操作温度低于135℃时，升温速度应尽量≤28℃/h，当反应器的操作温度在93℃以上时，其降温速度应尽可能缓慢,尽量避免本体和物件形成不均匀的温度分布而引起较大的热应力。
（3）停工时应采取使操作状态下渗透的氢能充分释放出去的方案，如先降压，后降温。
（4）开停工时，应尽量避免反应器中有液相水和氧气的存在。
（5）当不更换催化剂时，应将反应器与整个反应系统隔开，并加氮气加以保持或维持反应器处于热态（壁温100℃以上）。
（6）当需要更换催化剂时，在催化剂卸出后将反应器内部清理干净，停工期间应尽量避免奥氏体不锈钢内件和堆焊层与空气接触，目的是防止连多硫酸（H2S×OX）形成，进而引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂。建议用碱性溶液进行中和处理。
8、设备氢腐蚀的原因？
答：在常温下，氢气对碳钢设备无腐蚀作用。在高温高压下，由于氢气分子很小，会渗入钢材内部，使钢材的晶粒内溶解大量的氢，随时间的延长，氢气会与钢材的渗碳体（Fe3C）发生化学反应：Fe3C＋2H2→CH4＋3Fe；生成甲烷而使钢材脱碳变成纯铁（Fe），大大降低了钢材的强度（称为氢脱现象）。由于甲烷气体的逸出使钢材疏松，甚至产生裂纹，造成设备腐蚀。
9.加氢反应器锻焊结构和板焊结构如何选用？
答：反应器本体结构有两大类：一是单层结构，二是多层结构。在高压加氢装置中多数采用单层结构。在单层结构中，又分为锻焊结构和板焊结构。锻焊结构的优点是：（1）以实心锻造时，在锻造过程中要把钢锭镦粗和冲孔，可消除钢锭中的偏析和夹杂，从而提高了锻件的纯洁性。（2）锻造变形过程的拔长，扩孔等工艺，使锻件各项性能差别减小，增加内部致密度，所以材料的均质性和致密性较好。（3）焊缝较少，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。同时缩短制造周期和减少制造和检验过程中对焊缝检查的工作量。（4）锻造筒的粗糙度和尺寸精度高，可方便筒节对接，错边量小。（5）反应器内部支撑结构可以加工成与筒体一体的结构，这对于防止有关的脆性损伤很有好处。
由于锻焊结构比板焊结构在加工成型过程中，材料的利用率低，在反应器器壁较薄时，其制造费用较高。在目前阶段，通常壁厚在130mm-150mm以下宜采用板焊结构。大于这个值，采用锻焊结构较为合理。三种结构示意图如下：

10.T-STAR装置反应器的操作条件和结构？
答：反应器的操作介质为油气、H2、H2S、NH3；操作温度380℃；操作压力13.7Mpa。反应器为热壁反应器。反应器筒节按API标准选用ASME SA336 F22V即2.25Cr-1Mo-0.25V钢材。该材质的淬透性、抗氢性和抗氢剥离性都优于普通的2.25Cr-1Mo钢材。反应器的内壁堆焊双层不锈钢（TP309L+TP347）以抵抗硫化氢的侵蚀。堆焊层总厚度7.5mm，其中表面未稀释的有效厚度（TP347SS）不得低于3.2mm。T-STAR装置反应器结构简图如下：

T-STAR装置反应器结构简图