一種新型軸徑向反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用

袁洪娟

(山東三維石化工程股份有限公司，山東 青島 266071)

軸徑向反應(yīng)器是一種氣體流動(dòng)方向與設(shè)備軸向相垂直的反應(yīng)器，大都用于氣-固催化反應(yīng)，也有用于非催化反應(yīng)。反應(yīng)氣體流經(jīng)徑向反應(yīng)器的顆粒床層時(shí)，由于流通截面積大，流速小，流道短，具有壓力降小的顯著特點(diǎn)[3]，為此，可采用小顆粒的催化劑或固相反應(yīng)物，反應(yīng)速率及反應(yīng)器的生產(chǎn)能力均得以增加。

所謂軸徑向反應(yīng)器，就是催化劑床層既有軸向床、又有徑向床。軸向床在上，床層頂部設(shè)置催化劑封，反應(yīng)氣體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，形成軸向床，使進(jìn)塔氣分布均勻，反應(yīng)速度快。徑向床在下，反應(yīng)氣體沿徑向由外向內(nèi)流經(jīng)床層，充分發(fā)揮催化劑活性和保持低壓降。軸徑向反應(yīng)器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是合理地進(jìn)行氣體分布裝置的設(shè)計(jì)，使得反應(yīng)氣體能夠沿設(shè)備的軸向均勻地流過固定床，即氣體均布設(shè)計(jì)。

本文介紹與傳統(tǒng)軸徑向反應(yīng)器不同，一種新型結(jié)構(gòu)的軸徑向反應(yīng)器，并總結(jié)工業(yè)應(yīng)用的情況。

1 軸徑向反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

圖1 傳統(tǒng)軸徑向反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 新型軸徑向反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

軸徑向反應(yīng)器由反應(yīng)器筒體、兩個(gè)同軸的多孔分布筒、上封頭、下封頭和催化劑蓋板組成，筒體與外分布筒之間的環(huán)隙形成外流道，內(nèi)分布筒的內(nèi)部空間形成中心流道，內(nèi)外分布筒之間裝填催化劑，流體以徑向流動(dòng)方式通過催化劑床。考慮到催化劑在使用過程中的沉降、破損或其在還原過程中的體積收縮，在內(nèi)外分布筒上部要設(shè)置一定的不開孔區(qū)，稱為“催化劑封”，以防止流體回流和短路。在徑向流反應(yīng)器中，流體逐漸分流進(jìn)入床層的流道稱為分流流道，而流出床層匯入的流道稱為集流流道[4]。

傳統(tǒng)的軸徑向反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，催化劑頂部鋪一層耐火球，壓住催化劑；底部鋪耐火瓷球，支撐催化劑，一般在反應(yīng)器的球形封頭內(nèi)裝滿耐火球。流體進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，部分流體沿軸向從頂部流過耐火球、催化劑封、內(nèi)分布筒進(jìn)入集流流道。其余大部分流體流入分流流道，沿徑向流過外分布筒、催化劑、內(nèi)分布筒進(jìn)入集流流道，最后反應(yīng)后流體一起從集流流道流出反應(yīng)器。

新型軸徑向反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，創(chuàng)新點(diǎn)在于充分利用反應(yīng)器的球形封頭內(nèi)空間，減少耐火球的裝填空間，催化劑適當(dāng)下移至球形封頭內(nèi)。流體的流向基本沒有改變，唯一不同的就是催化劑床層底部的流體由傳統(tǒng)的垂直徑向，變?yōu)橄蛳聝A斜徑向。應(yīng)用新型軸徑向反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)有：

(1)催化劑裝填在外分布器、中心管及殼體組成的凹形空間，僅在下封頭底部裝填適量的瓷球，充分利用殼體下部及封頭的空間裝填催化劑，最大化提高反應(yīng)器有效容積利用率，從而降低設(shè)備筒體高度，節(jié)省投資。

(2)本反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，取消了常規(guī)軸徑向/徑向反應(yīng)器下端蓋板及其支承構(gòu)件，取消了徑向反應(yīng)器上部隔板，降低了反應(yīng)器不銹鋼內(nèi)構(gòu)件重量，降低了設(shè)備制造難度，減輕了設(shè)備制造工作量，縮短了設(shè)備制造周期，減少了設(shè)備投資。

(3)本反應(yīng)器催化劑全部參與變換反應(yīng)，將徑向反應(yīng)器催化劑封所占容積變?yōu)橛行莘e,再次提高了反應(yīng)器有效容積利用率，降低了設(shè)備造價(jià)。

2 應(yīng)用實(shí)例

以山西某項(xiàng)目第二變換爐為例，原料氣氣量580505 Nm3/h，溫度243℃，壓力3.80MPa(g)，采用QDB-04-x小顆粒耐硫變換催化劑，裝填量110m3，為減少床層壓降，采用軸徑向反應(yīng)器。分別按傳統(tǒng)、新型軸徑向反應(yīng)器計(jì)算設(shè)備尺寸如表1所示。

表1 軸徑向反應(yīng)器尺寸比較

從表1中可以看出，采用新型軸徑向反應(yīng)器，反應(yīng)器切線高度縮短1.5米，重量減少18.7t，投資減少102.85萬(wàn)元，約節(jié)省投資9.5%，所以本項(xiàng)目反應(yīng)器按新型軸徑向反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 軸徑向反應(yīng)器設(shè)備簡(jiǎn)圖

由于新型軸徑向反應(yīng)器的催化劑床層底部的流體流道為向下傾斜徑向，與傳統(tǒng)反應(yīng)器不同，為了使不同流道流體的反應(yīng)程度一致，須保證流道路徑長(zhǎng)的流體與流道路徑短的流體穿過催化劑床層的壓降相等，新型反應(yīng)器設(shè)計(jì)：外分布筒開孔均勻，內(nèi)分布筒開孔上疏下密，設(shè)計(jì)允許壓降<50kPa。為了均勻測(cè)定反應(yīng)器床層溫度，共設(shè)置三支熱電偶套管，每支套管設(shè)計(jì)六個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖3所示。

3 工業(yè)應(yīng)用

2017年項(xiàng)目如期開車運(yùn)行，經(jīng)過一年運(yùn)行磨合期后，現(xiàn)場(chǎng)采集到各工況運(yùn)行數(shù)據(jù)整理如表2所示。

通過表2中數(shù)據(jù)可以看出，三種運(yùn)行工況(滿負(fù)荷103.6%、半負(fù)荷50.9%、低負(fù)荷18.9%)的運(yùn)行數(shù)據(jù)均與設(shè)計(jì)值相差不大，反應(yīng)壓力、床層壓降均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求；反應(yīng)溫度稍高于設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，在第二變換爐設(shè)備設(shè)計(jì)溫度450℃范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求；變換氣的變換深度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，產(chǎn)品的H2/CO指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

床層各溫度點(diǎn)的分布情況是反映軸徑向反應(yīng)器性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素，整個(gè)床層共設(shè)置六層測(cè)溫，每一層均設(shè)三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，第一層溫度點(diǎn)為敏感點(diǎn)，設(shè)置在催化劑頂下500mm。三種工況的各床層溫度點(diǎn)分布數(shù)據(jù)見圖4、圖5、圖6所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖4 滿負(fù)荷運(yùn)行的各溫度點(diǎn)分布情況

圖5 半負(fù)荷運(yùn)行的各溫度點(diǎn)分布情況

圖6 低負(fù)荷運(yùn)行的各溫度點(diǎn)分布情況

4 數(shù)據(jù)分析

軸徑向變換反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求氣流分布均勻，主要表現(xiàn)是床層溫度分布均勻，不超溫，系統(tǒng)壓降小。以下從床層壓降和從床層溫度分布兩個(gè)方面進(jìn)行分析，分析新型軸徑向反應(yīng)器的性能。

4.1 床層壓降分析

從表2現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，床層壓降范圍0.03～0.021MPa，滿負(fù)荷時(shí)床層壓降最大，達(dá)到0.021MPa，據(jù)車間技術(shù)人員反應(yīng)，裝置運(yùn)行一年來(lái)床層壓降最大為0.028MPa，壓降值均小于設(shè)計(jì)允許值0.05MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期目的。說(shuō)明原料進(jìn)氣量波動(dòng)較大的各工況下，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，操作彈性大，且物流流經(jīng)反應(yīng)器的壓降較小。

4.2 床層溫度分布分析

床層溫度分布情況：整個(gè)床層共設(shè)置六層測(cè)溫，每一層均設(shè)三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，第一層溫度點(diǎn)為敏感點(diǎn)，設(shè)置在催化劑頂以下500mm，氣體在此處還未完全反應(yīng)，因此溫度點(diǎn)低于其他各點(diǎn)床層溫度，分析比較時(shí)不考慮第一層溫度點(diǎn)。通過比較其他各層溫度點(diǎn)的偏差，分析床層溫度的均勻性，反應(yīng)新型軸徑向反應(yīng)器的性能。

滿負(fù)荷運(yùn)行工況，每一層3個(gè)平行溫度點(diǎn)的偏差<10℃，上下各層溫度點(diǎn)的偏差<20℃，各層溫差稍偏大，跟多次開停車、催化劑泡水影響催化劑活性有關(guān)；

半負(fù)荷運(yùn)行，每一層3個(gè)平行溫度點(diǎn)的偏差<5℃，上下各層溫度點(diǎn)的偏差<10℃；

低負(fù)荷運(yùn)行，每一層3個(gè)平行溫度點(diǎn)的偏差<5℃，上下各層溫度點(diǎn)的偏差<10℃；

從每一層溫度的偏差可以看出，床層溫度分布比較均勻，沒有超溫現(xiàn)象。反應(yīng)器內(nèi)軸向溫差小，各點(diǎn)溫度分布均勻，表明各部分催化劑能充分發(fā)揮其活性，提高了催化劑的利用率和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率[2]。

綜上所述，軸徑向反應(yīng)器設(shè)計(jì)滿足工藝要求，床層氣流分布均勻，床層壓降小，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。同時(shí)，通過測(cè)定進(jìn)出口變換氣H2/CO表明，變換氣的反應(yīng)深度滿足工藝要求，完成了反應(yīng)器的預(yù)期任務(wù)，所以采用的新型軸徑向反應(yīng)器圓滿完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。

5 結(jié)論

新型軸徑向反應(yīng)器充分利用反應(yīng)器的球形封頭內(nèi)空間，減少耐火球的裝填空間，催化劑適當(dāng)下移至球形封頭內(nèi)，最大化提高反應(yīng)器有效容積利用率，從而降低設(shè)備筒體高度，節(jié)省設(shè)備投資。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況表明，新型軸徑向反應(yīng)器床層氣流分布均勻，床層壓降小，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。變換氣的反應(yīng)深度滿足工藝流程要求，圓滿完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。所以采用新型軸徑向反應(yīng)器可以替代傳統(tǒng)的軸徑向反應(yīng)器。