摘(zhai)要(yao): 本文(wen)介紹一種新型軸徑向(xiang)反(fan)(fan)應器，結構充(chong)分利用反(fan)(fan)應器的球形封頭內空(kong)間，最大化提(ti)高(gao)反(fan)(fan)應器有效(xiao)容積利用率，降(jiang)低設備筒體高(gao)度(du)，節省設備投(tou)資。通過工業應用情況(kuang)表明，新型軸徑向(xiang)反(fan)(fan)應器床層氣流分布均(jun)勻(yun)，床層壓(ya)降(jiang)小，達到了(le)預期(qi)設計的目標。變換氣的反(fan)(fan) 應深度(du)滿足工藝要(yao)求，可以替代傳統的軸徑向(xiang)反(fan)(fan)應器。

關鍵詞(ci): 軸徑向反應(ying)器(qi)；新(xin)型；工業應(ying)用

      軸徑(jing)(jing)向(xiang)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)器(qi)是一種氣(qi)(qi)體流(liu)動方(fang)向(xiang)與設備軸向(xiang)相(xiang)(xiang)垂直的(de)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)器(qi)，大都用于氣(qi)(qi)-固(gu)催化反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)，也有(you)用于非催化反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)。反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)流(liu)經徑(jing)(jing)向(xiang)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)器(qi)的(de)顆粒(li)床(chuang)層時，由于流(liu)通截(jie)面積大，流(liu)速小(xiao)，流(liu)道短，具有(you)壓力(li)降小(xiao)的(de)顯著特點，為此，可采用小(xiao)顆粒(li)的(de)催化劑或固(gu)相(xiang)(xiang)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)物(wu)，反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)速率(lv)及反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)器(qi)的(de)生產(chan)能力(li)均得以增(zeng)加。

      所謂軸(zhou)徑(jing)向(xiang)反(fan)應器，就是催(cui)化劑床(chuang)(chuang)(chuang)層(ceng)既(ji)有軸(zhou)向(xiang)床(chuang)(chuang)(chuang)、又有徑(jing) 向(xiang)床(chuang)(chuang)(chuang)。軸(zhou)向(xiang)床(chuang)(chuang)(chuang)在上，床(chuang)(chuang)(chuang)層(ceng)頂(ding)部設置(zhi)催(cui)化劑封，反(fan)應氣(qi)體(ti)(ti)(ti)沿(yan)軸(zhou)向(xiang)自上而下流(liu)經床(chuang)(chuang)(chuang)層(ceng)，形成軸(zhou)向(xiang)床(chuang)(chuang)(chuang)，使進(jin)塔氣(qi)分布均勻，反(fan)應速(su)度快。徑(jing)向(xiang)床(chuang)(chuang)(chuang)在下，反(fan)應氣(qi)體(ti)(ti)(ti)沿(yan)徑(jing)向(xiang)由(you)外(wai)向(xiang)內流(liu)經床(chuang)(chuang)(chuang)層(ceng)，充分發 揮催(cui)化劑活性和(he)保持低壓降。軸(zhou)徑(jing)向(xiang)反(fan)應器的設計關鍵是合 理地進(jin)行(xing)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)分布裝置(zhi)的設計，使得反(fan)應氣(qi)體(ti)(ti)(ti)能夠沿(yan)設備的軸(zhou) 向(xiang)均勻地流(liu)過固定床(chuang)(chuang)(chuang)，即氣(qi)體(ti)(ti)(ti)均布設計。

      本文介紹(shao)與傳統軸徑(jing)向(xiang)反應(ying)器不同，一種(zhong)新(xin)型結構的軸徑(jing) 向(xiang)反應(ying)器，并總結工業應(ying)用(yong)的情況。

1.軸徑(jing)向反(fan)應器(qi)的結(jie)構(gou)

圖(tu) 1 傳統軸徑(jing)向反應器結(jie)構(gou)示(shi)(shi)意圖(tu)        圖(tu) 2 新型軸徑(jing)向反應器結(jie)構(gou)示(shi)(shi)意圖(tu)

      軸徑向反(fan)應器由反(fan)應器筒(tong)(tong)體、兩個同軸的(de)(de)多(duo)孔(kong)分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)筒(tong)(tong)、上封(feng)頭、下封(feng)頭和(he)催化(hua)劑蓋板組成，筒(tong)(tong)體與外(wai)(wai)分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)筒(tong)(tong)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)環隙(xi)形成外(wai)(wai)流道(dao)(dao)(dao)，內(nei)(nei)分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)筒(tong)(tong)的(de)(de)內(nei)(nei)部空(kong)間形成中(zhong)(zhong)心流道(dao)(dao)(dao)，內(nei)(nei)外(wai)(wai)分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)筒(tong)(tong)之(zhi)(zhi)間裝填催化(hua)劑，流體以徑向流動方式通過催化(hua)劑床。考慮(lv)到催化(hua)劑在使(shi)用過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)沉降、破損或(huo)其(qi)在還原過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)體積收縮(suo)，在內(nei)(nei)外(wai)(wai)分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)筒(tong)(tong)上部要設置一定的(de)(de)不開(kai)孔(kong)區，稱為“催化(hua)劑封(feng)”，以防止(zhi)流體回流和(he)短路。在徑向流反(fan)應器中(zhong)(zhong)，流體逐(zhu)漸分(fen)(fen)(fen)流進(jin)入床層(ceng)(ceng)的(de)(de)流道(dao)(dao)(dao)稱為分(fen)(fen)(fen)流流道(dao)(dao)(dao)，而(er)流出床層(ceng)(ceng)匯入的(de)(de)流道(dao)(dao)(dao)稱為集流流道(dao)(dao)(dao)。

     傳統(tong)的軸徑(jing)向(xiang)反應(ying)器(qi)結構如(ru)圖(tu)1所示，催化劑(ji)頂部(bu)(bu)鋪一層(ceng)耐火(huo)球(qiu)，壓住催化劑(ji)；底部(bu)(bu)鋪耐火(huo)瓷球(qiu)，支(zhi)撐催化劑(ji)，一般在(zai)反應(ying)器(qi)的球(qiu)形封頭內(nei)裝滿(man)耐火(huo)球(qiu)。流(liu)(liu)(liu)(liu)體進入反應(ying)器(qi)內(nei)，部(bu)(bu)分(fen)流(liu)(liu)(liu)(liu)體沿軸向(xiang)從頂部(bu)(bu)流(liu)(liu)(liu)(liu)過耐火(huo)球(qiu)、催化劑(ji)封、內(nei)分(fen)布筒(tong)(tong)進入集流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)道(dao)。 其余大(da)部(bu)(bu)分(fen)流(liu)(liu)(liu)(liu)體流(liu)(liu)(liu)(liu)入分(fen)流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)道(dao)，沿徑(jing)向(xiang)流(liu)(liu)(liu)(liu)過外分(fen)布筒(tong)(tong)、催化劑(ji)、內(nei)分(fen)布筒(tong)(tong)進入集流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)道(dao)，最后反應(ying)后流(liu)(liu)(liu)(liu)體一起從集流(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)道(dao)流(liu)(liu)(liu)(liu)出反應(ying)器(qi)。

      新型(xing)軸徑向反(fan)(fan)(fan)應器(qi)結構(gou)如圖(tu)2所(suo)示，創新點在于充分利用反(fan)(fan)(fan)應器(qi)的(de)球形封頭內空(kong)間(jian)，減少耐火(huo)球的(de)裝填(tian)空(kong)間(jian)，催(cui)化(hua)劑(ji)適(shi)當下移至球形封頭內。流體(ti)的(de)流向基(ji)本沒有(you)改變，唯一(yi)不(bu)同的(de)就是催(cui)化(hua)劑(ji)床層(ceng)底(di)部的(de)流體(ti)由傳統的(de)垂直(zhi)徑向，變為向下傾斜徑向。應用新型(xing)軸徑向反(fan)(fan)(fan)應器(qi)的(de)優(you)勢有(you):

    （1）催(cui)化(hua)劑裝(zhuang)填(tian)在外分(fen)布器(qi)、中心管及殼體(ti)組成的凹(ao)形空(kong)間，僅在下(xia)封(feng)頭底部裝(zhuang)填(tian)適量的瓷球，充分(fen)利(li)用(yong)殼體(ti)下(xia)部及封(feng)頭的空(kong)間裝(zhuang)填(tian)催(cui)化(hua)劑，最大化(hua)提高反(fan)應器(qi)有(you)效(xiao)容積(ji)利(li)用(yong)率，從而降低設備筒(tong)體(ti)高度，節省投資。

    （2）本反(fan)應器(qi)結構(gou)優化，取消(xiao)(xiao)了常規軸徑(jing)向(xiang)(xiang)/徑(jing)向(xiang)(xiang)反(fan)應器(qi)下端蓋板及其(qi)支承(cheng)構(gou)件，取消(xiao)(xiao)了徑(jing)向(xiang)(xiang)反(fan)應器(qi)上部隔板，降低(di)了反(fan)應器(qi)不銹鋼內構(gou)件重(zhong)量，降低(di)了設(she)(she)備制(zhi)造(zao)難度，減(jian)輕了設(she)(she)備制(zhi)造(zao)工(gong)作量，縮(suo)短了設(she)(she)備制(zhi)造(zao)周期(qi)，減(jian)少了設(she)(she)備投資。

    （3）本(ben)反(fan)應(ying)器(qi)(qi)催(cui)(cui)化劑全部參與(yu)變換反(fan)應(ying)，將徑(jing)向反(fan)應(ying)器(qi)(qi)催(cui)(cui)化劑封所占容(rong)積(ji)變為有效容(rong)積(ji)，再次提高了反(fan)應(ying)器(qi)(qi)有效容(rong)積(ji)利用率，降(jiang)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(cai)用軸(zhou)徑向反應(ying)器。分別(bie)按傳統(tong)、新(xin)型軸(zhou)徑向反應(ying)器計(ji)算設備尺寸如表1所(suo)示。

表(biao) 1  軸徑向反應器尺寸比較

      從(cong)表1中(zhong)可(ke)以看出，采(cai)用新(xin)型軸徑向反應器，反應器切線高度(du)縮短1.5 米(mi)，重量減少(shao)18.7，投資減少(shao)102.85 萬(wan)元，約節省投資9.5% ，所以本項目反應器按新(xin)型軸徑向反應器進行設 計。

圖 3    軸徑向反(fan)應器設備簡圖

      由于新(xin)型軸徑(jing)向(xiang)反(fan)應(ying)(ying)器(qi)的(de)催化劑床層底部的(de)流(liu)體流(liu)道(dao)為向(xiang)下傾斜(xie)徑(jing)向(xiang)，與傳統反(fan)應(ying)(ying)器(qi)不同(tong)，為了使不同(tong)流(liu)道(dao)流(liu)體的(de)反(fan)應(ying)(ying)程(cheng)度(du)一致，須保證(zheng)流(liu)道(dao)路(lu)徑(jing)長的(de)流(liu)體與流(liu)道(dao)路(lu)徑(jing)短的(de)流(liu)體穿過催化劑床層的(de)壓降相等，新(xin)型反(fan)應(ying)(ying)器(qi)設計(ji)：外分布筒(tong)開(kai)孔均勻(yun)，內分布筒(tong)開(kai)孔上(shang)疏下密，設計(ji)允許壓降＜50kPa 。為了均勻(yun)測定反(fan)應(ying)(ying)器(qi)床層溫度(du)，共設置(zhi)三支(zhi)熱電偶套(tao)(tao)管，每支(zhi)套(tao)(tao)管設計(ji)六個測溫點，設備簡圖(tu)如(ru)圖(tu)3所示。

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(suo)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(yao)求。

      床層(ceng)(ceng)各溫(wen)(wen)(wen)(wen)度點(dian)的(de)分(fen)布情(qing)況(kuang)(kuang)是(shi)反映(ying)軸徑向反應(ying)器性能指標的(de)關(guan)鍵因(yin)素，整個(ge)床層(ceng)(ceng)共設(she)置六層(ceng)(ceng)測溫(wen)(wen)(wen)(wen)，每一(yi)層(ceng)(ceng)均設(she)三個(ge)測溫(wen)(wen)(wen)(wen)點(dian)，第(di)一(yi)層(ceng)(ceng)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度點(dian)為敏感點(dian)，設(she)置在催化劑(ji)頂下(xia)500mm。三種工況(kuang)(kuang)的(de)各床層(ceng)(ceng)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度點(dian)分(fen)布數據見圖(tu)4、圖(tu)5、圖(tu)6 所示。

表 2   現(xian)場運行數據

圖 4    滿負荷運行的(de)各溫度點分布情況(kuang)

圖 5    半負荷運行(xing)的各溫度點(dian)分布情況

圖 6   低負荷運行(xing)的各(ge)溫度(du)點分布情(qing)況

4.數據分析

      軸(zhou)徑向(xiang)變換反應器設計要(yao)求氣流分(fen)布均(jun)勻(yun)，主(zhu)要(yao)表現是(shi)床 層(ceng)溫(wen)度分(fen)布均(jun)勻(yun)，不(bu)超溫(wen)，系(xi)統壓(ya)降(jiang)小。 以(yi)下從床層(ceng)壓(ya)降(jiang)和從床層(ceng)溫(wen)度分(fen)布兩(liang)個方面進行分(fen)析(xi)，分(fen)析(xi)新型軸(zhou)徑向(xiang)反應器的性能(neng)。

4.1 床層壓(ya)降分析

      從表2現(xian)場運行(xing)(xing)數據(ju)可以(yi)看出，床(chuang)(chuang)層(ceng)壓(ya)降(jiang)(jiang)(jiang)范(fan)圍 0.03~0.021MPa，滿負荷時(shi)床(chuang)(chuang)層(ceng)壓(ya)降(jiang)(jiang)(jiang)最(zui)大(da)，達到 0.021MPa，據(ju)車間技術人員反(fan)應(ying)，裝(zhuang)置(zhi)運行(xing)(xing)一年來床(chuang)(chuang)層(ceng)壓(ya)降(jiang)(jiang)(jiang)最(zui)大(da)為 0.028MPa，壓(ya)降(jiang)(jiang)(jiang)值(zhi)均小(xiao)于設計(ji)允(yun)許值(zhi)0.05MPa，滿足(zu)設計(ji)要求，達到預期目的(de)。說明(ming)原(yuan)料進氣量波動較(jiao)(jiao)大(da)的(de)各工況下，反(fan)應(ying)器運行(xing)(xing)穩定，操作彈性大(da)，且物(wu)流流經反(fan)應(ying)器的(de)壓(ya)降(jiang)(jiang)(jiang)較(jiao)(jiao)小(xiao)。

4.2 床層溫(wen)度分布分析

      床層(ceng)溫度(du)分布情(qing)況：整個床層(ceng)共(gong)設(she)置六(liu)層(ceng)測溫，每一層(ceng)均設(she)三(san)個測溫點(dian)，第(di)一層(ceng)溫度(du)點(dian)為敏感點(dian)，設(she)置在催化劑頂以下500mm，氣體(ti)在此處還未完全反應，因(yin)此溫度(du)點(dian)低于其(qi)他各(ge)點(dian)床層(ceng)溫度(du)，分析比較時(shi)不考慮第(di)一層(ceng)溫度(du)點(dian)。通過比較其(qi)他各(ge)層(ceng) 溫度(du)點(dian)的偏差，分析床層(ceng)溫度(du)的均勻性，反應新型軸徑向反應 器的性能(neng)。

      滿(man)負荷運行(xing)工況，每一層3個平行(xing)溫(wen)(wen)度點(dian)的偏(pian)差(cha)＜10℃，上下各(ge)(ge)層溫(wen)(wen)度點(dian)的偏(pian)差(cha)＜20℃ ，各(ge)(ge)層溫(wen)(wen)差(cha)稍偏(pian)大，跟多(duo)次開(kai)停 車、催(cui)化劑泡水影響催(cui)化劑活性有(you)關；

      半負(fu)荷運(yun)行，每一層3個平(ping)行溫(wen)度點的(de)(de)偏差(cha)＜5℃ , 上下各(ge) 層溫(wen)度點的(de)(de)偏差(cha)＜10℃；

      低負荷(he)運行，每一(yi)層3個平行溫度點的偏差(cha)(cha)＜5℃ , 上下各(ge) 層溫度點的偏差(cha)(cha)＜10℃；

      從每一層溫(wen)度的(de)偏差可以看出，床(chuang)層溫(wen)度分(fen)(fen)布比較均勻，沒有超溫(wen)現象。反應器內(nei)軸向溫(wen)差小，各點溫(wen)度分(fen)(fen)布均勻，表 明各部分(fen)(fen)催化劑能充分(fen)(fen)發揮其活性，提(ti)高了(le)催化劑的(de)利(li)用(yong)率(lv)和 反應的(de)轉化率(lv)。

      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(biao)明，變(bian)換氣的反應(ying)深度滿(man)足工(gong)藝要求， 完成(cheng)了反應(ying)器的預期任務(wu)，所(suo)以采用(yong)的新型軸徑(jing)向反應(ying)器圓滿(man) 完成(cheng)了設計(ji)任務(wu)。

5. 結論

      新型(xing)(xing)軸(zhou)徑(jing)向反(fan)(fan)(fan)應(ying)器(qi)(qi)充分利用反(fan)(fan)(fan)應(ying)器(qi)(qi)的球(qiu)形(xing)封(feng)頭內(nei)空(kong)間(jian)，減(jian) 少耐火球(qiu)的裝(zhuang)填空(kong)間(jian)，催化劑適當下移(yi)至球(qiu)形(xing)封(feng)頭內(nei)，最大化提高反(fan)(fan)(fan)應(ying)器(qi)(qi)有(you)效容積利用率，從而降低設(she)備(bei)(bei)筒(tong)體高度，節(jie)省設(she)備(bei)(bei)投資。通過現場實(shi)際運行情況表(biao)明，新型(xing)(xing)軸(zhou)徑(jing)向反(fan)(fan)(fan)應(ying)器(qi)(qi)床(chuang)層氣(qi)流分布均勻，床(chuang)層壓降小，達到(dao)了預期設(she)計的目標。變換氣(qi) 的反(fan)(fan)(fan)應(ying)深(shen)度滿(man)足工藝流程要求，圓滿(man)完成了設(she)計任(ren)務(wu)。所(suo)以(yi)采 用新型(xing)(xing)軸(zhou)徑(jing)向反(fan)(fan)(fan)應(ying)器(qi)(qi)可以(yi)替代傳統的軸(zhou)徑(jing)向反(fan)(fan)(fan)應(ying)器(qi)(qi)。