一種新型軸徑向反應器的工業應用

袁洪娟

(山東三維石化工程股份有限公司，山東 青島 266071)

軸徑向反應器是一種氣體流動方向與設備軸向相垂直的反應器，大都用于氣-固催化反應，也有用于非催化反應。反應氣體流經徑向反應器的顆粒床層時，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[3]，為此，可采用小顆粒的催化劑或固相反應物，反應速率及反應器的生產能力均得以增加。

所謂軸徑向反應器，就是催化劑床層既有軸向床、又有徑向床。軸向床在上，床層頂部設置催化劑封，反應氣體沿軸向自上而下流經床層，形成軸向床，使進塔氣分布均勻，反應速度快。徑向床在下，反應氣體沿徑向由外向內流經床層，充分發揮催化劑活性和保持低壓降。軸徑向反應器的設計關鍵是合理地進行氣體分布裝置的設計，使得反應氣體能夠沿設備的軸向均勻地流過固定床，即氣體均布設計。

本文介紹與傳統軸徑向反應器不同，一種新型結構的軸徑向反應器，并總結工業應用的情況。

1 軸徑向反應器的結構

圖1 傳統軸徑向反應器結構示意圖 圖2 新型軸徑向反應器結構示意圖

軸徑向反應器由反應器筒體、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隙形成外流道，內分布筒的內部空間形成中心流道，內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。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，在內外分布筒上部要設置一定的不開孔區，稱為“催化劑封”，以防止流體回流和短路。在徑向流反應器中，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[4]。

傳統的軸徑向反應器結構如圖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，一般在反應器的球形封頭內裝滿耐火球。流體進入反應器內，部分流體沿軸向從頂部流過耐火球、催化劑封、內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、內分布筒進入集流流道，最后反應后流體一起從集流流道流出反應器。

新型軸徑向反應器結構如圖2所示，創新點在于充分利用反應器的球形封頭內空間，減少耐火球的裝填空間，催化劑適當下移至球形封頭內。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的垂直徑向，變為向下傾斜徑向。應用新型軸徑向反應器的優勢有：

(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，最大化提高反應器有效容積利用率，從而降低設備筒體高度，節省投資。

(2)本反應器結構優化，取消了常規軸徑向/徑向反應器下端蓋板及其支承構件，取消了徑向反應器上部隔板，降低了反應器不銹鋼內構件重量，降低了設備制造難度，減輕了設備制造工作量，縮短了設備制造周期，減少了設備投資。

(3)本反應器催化劑全部參與變換反應，將徑向反應器催化劑封所占容積變為有效容積,再次提高了反應器有效容積利用率，降低了設備造價。

2 應用實例

以山西某項目第二變換爐為例，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，采用軸徑向反應器。分別按傳統、新型軸徑向反應器計算設備尺寸如表1所示。

表1 軸徑向反應器尺寸比較

從表1中可以看出，采用新型軸徑向反應器，反應器切線高度縮短1.5米，重量減少18.7t，投資減少102.85萬元，約節省投資9.5%，所以本項目反應器按新型軸徑向反應器進行設計。

圖3 軸徑向反應器設備簡圖

由于新型軸徑向反應器的催化劑床層底部的流體流道為向下傾斜徑向，與傳統反應器不同，為了使不同流道流體的反應程度一致，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，新型反應器設計：外分布筒開孔均勻，內分布筒開孔上疏下密，設計允許壓降<50kPa。為了均勻測定反應器床層溫度，共設置三支熱電偶套管，每支套管設計六個測溫點，設備簡圖如圖3所示。

3 工業應用

2017年項目如期開車運行，經過一年運行磨合期后，現場采集到各工況運行數據整理如表2所示。

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

床層各溫度點的分布情況是反映軸徑向反應器性能指標的關鍵因素，整個床層共設置六層測溫，每一層均設三個測溫點，第一層溫度點為敏感點，設置在催化劑頂下500mm。三種工況的各床層溫度點分布數據見圖4、圖5、圖6所示。

表2 現場運行數據

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 數據分析

軸徑向變換反應器設計要求氣流分布均勻，主要表現是床層溫度分布均勻，不超溫，系統壓降小。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器的性能。

4.1 床層壓降分析

從表2現場運行數據可以看出，床層壓降范圍0.03～0.021MPa，滿負荷時床層壓降最大，達到0.021MPa，據車間技術人員反應，裝置運行一年來床層壓降最大為0.028MPa，壓降值均小于設計允許值0.05MPa，滿足設計要求，達到預期目的。說明原料進氣量波動較大的各工況下，反應器運行穩定，操作彈性大，且物流流經反應器的壓降較小。

4.2 床層溫度分布分析

床層溫度分布情況：整個床層共設置六層測溫，每一層均設三個測溫點，第一層溫度點為敏感點，設置在催化劑頂以下500mm，氣體在此處還未完全反應，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，反應新型軸徑向反應器的性能。

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；

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，沒有超溫現象。反應器內軸向溫差小，各點溫度分布均勻，表明各部分催化劑能充分發揮其活性，提高了催化劑的利用率和反應的轉化率[2]。

綜上所述，軸徑向反應器設計滿足工藝要求，床層氣流分布均勻，床層壓降小，達到了預期設計的目標。同時，通過測定進出口變換氣H2/CO表明，變換氣的反應深度滿足工藝要求，完成了反應器的預期任務，所以采用的新型軸徑向反應器圓滿完成了設計任務。

5 結論

新型軸徑向反應器充分利用反應器的球形封頭內空間，減少耐火球的裝填空間，催化劑適當下移至球形封頭內，最大化提高反應器有效容積利用率，從而降低設備筒體高度，節省設備投資。通過現場實際運行情況表明，新型軸徑向反應器床層氣流分布均勻，床層壓降小，達到了預期設計的目標。變換氣的反應深度滿足工藝流程要求，圓滿完成了設計任務。所以采用新型軸徑向反應器可以替代傳統的軸徑向反應器。