摘要: 本文介紹一種新型軸徑向反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)充分利用反應(yīng)器的球形封頭內(nèi)空間，最大化提高反應(yīng)器有效容積利用率，降低設(shè)備筒體高度，節(jié)省設(shè)備投資。通過工業(yè)應(yīng)用情況表明，新型軸徑向反應(yīng)器床層氣流分布均勻，床層壓降小，達到了預(yù)期設(shè)計的目標。變換氣的反 應(yīng)深度滿足工藝要求，可以替代傳統(tǒng)的軸徑向反應(yīng)器。

關(guān)鍵詞: 軸徑向反應(yīng)器；新型；工業(yè)應(yīng)用

      軸徑向反應(yīng)器是一種氣體流動方向與設(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)流經(jīng)徑向反應(yīng)器的顆粒床層時，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，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)計關(guān)鍵是合 理地進行氣體分布裝置的設(shè)計，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。

      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，流體以徑向流動方式通過催化劑床?？紤]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。

     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。

2.應(yīng)用實例

     以山西某項目第二變換爐為例，原料氣氣量580505Nm³/ h，溫度243℃ , 壓力 3.80MPa( g) ，采用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18.7，投資減少102.85 萬元，約節(jié)省投資9.5% ，所以本項目反應(yīng)器按新型軸徑向反應(yīng)器進行設(shè) 計。

圖 3    軸徑向反應(yīng)器設(shè)備簡圖

      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：外分布筒開孔均勻，內(nèi)分布筒開孔上疏下密，設(shè)計允許壓降＜50kPa 。為了均勻測定反應(yīng)器床層溫度，共設(shè)置三支熱電偶套管，每支套管設(shè)計六個測溫點，設(shè)備簡圖如圖3所示。

工業(yè)應(yīng)用

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

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

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

表 2   現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)

圖 4    滿負荷運行的各溫度點分布情況

圖 5    半負荷運行的各溫度點分布情況

圖 6   低負荷運行的各溫度點分布情況

4.數(shù)據(jù)分析

      軸徑向變換反應(yīng)器設(shè)計要求氣流分布均勻，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方面進行分析，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)場運行數(shù)據(jù)可以看出，床層壓降范圍 0.03~0.021MPa，滿負荷時床層壓降最大，達到 0.021MPa，據(jù)車間技術(shù)人員反應(yīng)，裝置運行一年來床層壓降最大為 0.028MPa，壓降值均小于設(shè)計允許值0.05MPa，滿足設(shè)計要求，達到預(yù)期目的。說明原料進氣量波動較大的各工況下，反應(yīng)器運行穩(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：整個床層共設(shè)置六層測溫，每一層均設(shè)三個測溫點，第一層溫度點為敏感點，設(shè)置在催化劑頂以下500mm，氣體在此處還未完全反應(yīng)，因此溫度點低于其他各點床層溫度，分析比較時不考慮第一層溫度點。通過比較其他各層 溫度點的偏差，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。

      滿負荷運行工況，每一層3個平行溫度點的偏差＜10℃，上下各層溫度點的偏差＜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)；

      半負荷運行，每一層3個平行溫度點的偏差＜5℃ , 上下各 層溫度點的偏差＜10℃；

      低負荷運行，每一層3個平行溫度點的偏差＜5℃ , 上下各 層溫度點的偏差＜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。

      綜上所述，軸徑向反應(yīng)器設(shè)計滿足工藝要求，床層氣流分布均勻，床層壓降小，達到了預(yù)期設(shè)計的目標。同時，通過測定進出口變換氣 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)場實際運行情況表明，新型軸徑向反應(yīng)器床層氣流分布均勻，床層壓降小，達到了預(yù)期設(shè)計的目標。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。