固定床加氫反應(yīng)器新型內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化及應(yīng)用

莫秋有

（中國石化 北海煉化有限責(zé)任公司，廣西 北海 536016）

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

1 加氫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件組成及功能

固定床加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及其主要內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。物流從頂部進(jìn)入反應(yīng)器，依次經(jīng)過安裝在反應(yīng)器內(nèi)的入口擴(kuò)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(yīng)器及其主要內(nèi)構(gòu)件簡圖

入口擴(kuò)散器氣液物流擴(kuò)散到整個反應(yīng)器截面，有效地降低氣液物流高速進(jìn)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(zhì)和易析出固體組分進(jìn)行攔截，降低下方床層結(jié)焦壓力，降低反應(yīng)器總壓降，延長反應(yīng)器的運(yùn)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(yīng)油氣和急冷氫氣提供快速混合和換熱的場所，降低反應(yīng)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(yīng)物進(jìn)行過濾，將催化劑固體截留在反應(yīng)器內(nèi)，允許氣液相反應(yīng)產(chǎn)品由底部通過。

2 加氫反應(yīng)器新型內(nèi)構(gòu)件分析研究

2.1 入口擴(kuò)散器

2.1.1 結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)

1#柴油加氫裝置反應(yīng)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(kuò)散器，見圖2。

圖2 加氫反應(yīng)器雙錐形入口擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)圖

雙錐形入口擴(kuò)散器由上部空心錐形體、雙側(cè)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(jìn)行調(diào)整。氣液進(jìn)料經(jīng)過雙錐形入口擴(kuò)散器向下流動時，先被垂直方向的雙側(cè)糾偏擋板攔截和緩沖，然后進(jìn)入空心錐形體，在錐形體內(nèi)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(cè)糾偏擋板的攔截和在空心錐形體內(nèi)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(jìn)料得到充分混合，以均勻分散方式流至下方反應(yīng)器截面上。

雙錐形入口擴(kuò)散器安裝在反應(yīng)器頂部，懸掛在頂部法蘭部位，主要實現(xiàn)以下功能，①調(diào)整偏流，盡可能實現(xiàn)反應(yīng)物料在整個反應(yīng)器截面上的均勻擴(kuò)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(jìn)氣液的預(yù)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(yīng)用效果驗證

新建2#柴油加氫裝置反應(yīng)器數(shù)值模擬計算和冷模試驗測試結(jié)果表明，雙錐形入口擴(kuò)散器在基準(zhǔn)工況的30%～120%負(fù)荷內(nèi)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(nèi)壓降為1.23～7.65 kPa。采用雙錐形入口擴(kuò)散器的加氫反應(yīng)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(kuò)散器加氫反應(yīng)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(yīng)器使用積垢籃筐過濾原料。積垢籃框設(shè)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(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)消除了分配盤的液體均布效果，導(dǎo)致床層物料溝流，降低了催化劑的利用率和轉(zhuǎn)化率，導(dǎo)致催化劑床層的徑向溫度升高，同時還占用了反應(yīng)器的有效空間。1#柴油加氫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件設(shè)計為傳統(tǒng)積垢籃筐結(jié)構(gòu)，因不利影響已被摒棄，在新建2#柴油加氫裝置反應(yīng)器使用了新型內(nèi)件過濾分配盤結(jié)構(gòu)。

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(jī)械雜質(zhì)和析出的晶體雜質(zhì)的攔截作用，創(chuàng)新性地將過濾盤分塊安裝在反應(yīng)器的頂部封頭內(nèi)。過濾分配盤分塊結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 加氫反應(yīng)器過濾分配盤分塊結(jié)構(gòu)示圖

過濾分配盤底部及側(cè)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(yīng)器的封頭尺寸確定。這種結(jié)構(gòu)解決了反應(yīng)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(yīng)器尺寸大型化后封頭內(nèi)空間的高效利用。

確定反應(yīng)器封頭內(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)計不合理的分配器結(jié)構(gòu)，會造成加氫反應(yīng)在催化劑床層的不均勻進(jìn)行，導(dǎo)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(zhì)量的不達(dá)標(biāo)。傳統(tǒng)加氫反應(yīng)器分配器大多為泡帽，安裝精度要求較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 180°撞擊板管式氣液分配器結(jié)構(gòu)示圖

180°撞擊板管式氣液分配器結(jié)構(gòu)和獲得的優(yōu)化功能特點(diǎn)為，①中心管為直管結(jié)構(gòu)，采用商用標(biāo)準(zhǔn)管徑，便于采購和加工，節(jié)省制造成本。②頂部設(shè)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(shè)3層溢流孔，當(dāng)液相負(fù)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行折流擴(kuò)散，具有近乎180°的大擴(kuò)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(nèi)設(shè)孔板，強(qiáng)化管內(nèi)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(yīng)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(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，氣相或液相負(fù)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?qū)崿F(xiàn)液體在反應(yīng)器徑向截面上的均布。氣液相負(fù)荷在基準(zhǔn)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(jìn)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(lǐng)先技術(shù)的氣液分配器結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。

圖6 加氫反應(yīng)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(yīng)器180°撞擊板管式氣液分配盤物料湍流強(qiáng)度分布

圖8 加氫反應(yīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)對比 mm

表1中，類型1代表國際領(lǐng)先技術(shù)，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(yīng)關(guān)系與溢流孔直徑的類似。

綜合分析ANSYS數(shù)值模擬計算、國內(nèi)外同類技術(shù)對比及氣液分配器結(jié)構(gòu)參數(shù)對比結(jié)果后認(rèn)為，180°撞擊板管式氣液分配器中心管直徑較小，在結(jié)構(gòu)參數(shù)和占用反應(yīng)器空高方面更具優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(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(yīng)器的空間利用，降低反應(yīng)器設(shè)備投資。

2.4 冷氫管

冷氫管是循環(huán)冷氫從壓縮機(jī)到加氫反應(yīng)器2個床層間的導(dǎo)通管。1#柴油加氫裝置反應(yīng)器采用樹杈狀或者環(huán)形冷氫管，這些結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，組件包括主體環(huán)管和噴嘴，噴嘴安裝在環(huán)管內(nèi)、外兩側(cè)，總體上沿著環(huán)管圓周均勻分布，內(nèi)側(cè)噴嘴逆時針開口，外側(cè)噴嘴順時針開口。旋流冷氫管結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 加氫反應(yīng)器旋流冷氫管結(jié)構(gòu)示圖

冷氫管結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，冷氫在環(huán)管內(nèi)、外側(cè)水平截面內(nèi)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(nèi)快速混合，通過這種方式增加一個冷氫氣與熱油氣的預(yù)換熱過程，更利于高溫反應(yīng)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(jié)構(gòu)為主，通過為氣液兩相提供接觸面來實現(xiàn)換熱，改進(jìn)多數(shù)集中在箱體內(nèi)部，通過增設(shè)擋板、擾流板等提高換熱效率、延長流道和強(qiáng)化湍動。

1#柴油加氫裝置反應(yīng)器采用的旋流冷氫箱為傳統(tǒng)箱體結(jié)構(gòu)，存在氣液間接觸面積有限和相互作用不強(qiáng)的缺點(diǎn)，限制了混合傳熱性能的進(jìn)一步提高。從改變換熱機(jī)理入手新型冷氫箱設(shè)計結(jié)構(gòu)改進(jìn)，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(shè)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(nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

工作狀態(tài)下，氫氣和高溫油氣經(jīng)過冷氫管預(yù)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(nèi)發(fā)生快速的混合和換熱，對熱油進(jìn)行降溫。之后混合流體折流向下，在受液盤上進(jìn)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(jìn)行多次往復(fù)后流向下一層分配盤。對撞混合冷氫箱結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 加氫反應(yīng)器對撞混合冷氫箱結(jié)構(gòu)示圖

新型對撞混合冷氫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計從氣液兩相的作用方式入手，通過扇形流道設(shè)計，引導(dǎo)流體分為若干股，進(jìn)行兩兩相撞。通過流道控制，兩股相對流體的速度均可達(dá)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(nèi)，兩相間的傳熱系數(shù)增大，極大地強(qiáng)化了相間傳熱。同時流道的流通面積可通過直徑控制，當(dāng)大型反應(yīng)器尺寸和處理量放大時，無需在軸向上進(jìn)行適應(yīng)性放大，就能實現(xiàn)低占用高度內(nèi)的冷氫與油氣的快速混合式降溫[10]。

對對撞混合冷氫箱進(jìn)行了冷模試驗測試，試驗裝置見圖12。試驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)冷氫箱操作彈性大，在基準(zhǔn)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(nèi)壓降變幅為0.6～27.36 kPa。

圖12 加氫反應(yīng)器新型內(nèi)構(gòu)件冷模試驗裝置

3 工業(yè)應(yīng)用情況

以新建2#柴油加氫裝置工藝數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對2臺固定床加氫反應(yīng)器R101/R102的內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，全部采用新型內(nèi)構(gòu)件，部分內(nèi)構(gòu)件的安裝圖見圖13。

圖13 2#柴油加氫裝置固定床加氫反應(yīng)器部分內(nèi)構(gòu)件安裝圖

3.1 應(yīng)用介紹

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

圖14 2#柴油加氫裝置反應(yīng)器床層溫度分布及壓降

對圖14的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)可知，隨裝置操作負(fù)荷的調(diào)整，在60%～120%負(fù)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(yīng)用效果較好。隨裝置操作負(fù)荷的調(diào)整，在60%～120%負(fù)荷條件下，R101壓降為 0.07～0.10 MPa，反應(yīng)器 R102壓降為0.04～0.06 MPa，單臺反應(yīng)器的壓降均小于0.1 MPa，反應(yīng)器壓降低。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

（1）設(shè)備投資費(fèi)用節(jié)省約40萬元。 對新建2#柴油加氫裝置2臺反應(yīng)器R101（φ3 400 mm×23 000 mm）/R102（φ3 200 mm×13 000 mm）設(shè)計核算，采用新型內(nèi)構(gòu)件，R101設(shè)備筒體軸向高度降低520 mm，R102設(shè)備筒體軸向高度降低285 mm，設(shè)備質(zhì)量減少約8 t，單價4.5萬元/t；內(nèi)件重量減少約0.5 t，單價9萬元/t，計算可知設(shè)備投資費(fèi)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(yīng)器R101床層運(yùn)行壓降約為0.09 MPa，R102的為0.05 MPa。1#柴油加氫裝置反應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)壓降降低約0.3 MPa,循環(huán)氫壓縮機(jī)節(jié)省3.5 MPa蒸汽約0.5 t/h（單價190元/t），新氫壓縮機(jī)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(yùn)行周期，節(jié)省檢修費(fèi)用，提升裝置安全性。根據(jù)標(biāo)定，新建2#柴油加氫裝置反應(yīng)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(yùn)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(fèi)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(yīng)器應(yīng)用新型內(nèi)構(gòu)件后，發(fā)現(xiàn)的問題及應(yīng)對建議策略總結(jié)如下，①固定床加氫反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件量大，且都為不銹鋼材料，費(fèi)用高，新型內(nèi)構(gòu)件推廣應(yīng)用緩慢，設(shè)計、制造與工業(yè)應(yīng)用各環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)溝通。②反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件制造、安裝精度與新型技術(shù)要求存在偏離，因反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)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(nèi)構(gòu)件生產(chǎn)商和專業(yè)安裝單位，廠家全程技術(shù)指導(dǎo)，做好安裝技術(shù)交底，抓好全過程質(zhì)量監(jiān)控，確保制造、安裝質(zhì)量滿足設(shè)計要求。③生產(chǎn)過程要加強(qiáng)原料油性質(zhì)監(jiān)控，加強(qiáng)原料過濾管理，加強(qiáng)工藝操作管理，確保在工藝指標(biāo)內(nèi)使用[12-15]。

4 結(jié)語

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