[科普中國]-固定床加氫反應(yīng)器

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

隨著加氫反應(yīng)器向大型化發(fā)展，生產(chǎn)和科研單位對反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計都非常重視，特別是對兩相進(jìn)料的反應(yīng)器，進(jìn)料分配的好壞直接影響反應(yīng)效果、催化劑壽命以及操作周期。

加氫反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均由以下幾部分組成：入口擴(kuò)散器（或稱分散器），液（流）體分布盤，筒式濾油器（或稱過濾籃筐），催化劑床層支件，急冷箱和再分布板以及反應(yīng)器出口集油器。

（1）反應(yīng)器入口擴(kuò)散器（或稱分散器）

加氫反應(yīng)器頂部及入口分散器結(jié)構(gòu)如圖所示。反應(yīng)器進(jìn)料從入口進(jìn)人反應(yīng)器，一般流速較大，而且集中在反應(yīng)器橫截面中心，為防止其直接沖到分布板上，在反應(yīng)器入口處安裝一個擴(kuò)散器。擴(kuò)散器有兩個孔道。進(jìn)入反應(yīng)器的油氣流向和孔道垂直，這樣當(dāng)液流進(jìn)入反應(yīng)器的擴(kuò)散器后不會從某一孔道處短路流出，造成分配不勻。

（2）液體分布盤

液體分布盤及泡帽結(jié)構(gòu)見右圖，這是保證液體分布均勻的最重要的部分。分布盤上裝有帶齒縫的圓形泡帽。當(dāng)氣液兩相物料進(jìn)到分布盤上后，在分布盤上就建立了液層。氣體從齒縫通過，同時把液體從環(huán)形空間帶上去進(jìn)人下降管。如果液體負(fù)荷大，可能會淹沒一部分齒縫面積，但由于減小了氣體通路面積，增大了氣體的流速，從而相應(yīng)地又會多帶走一部分液體，最終達(dá)到平衡。從下降管下來的液體呈錐狀噴灑到催化劑床層上。據(jù)文獻(xiàn)報道，這種結(jié)構(gòu)型式的分布盤的另一個優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高（達(dá)89%），而且對安裝水平度的敏感度不大。為了便于裝卸催化劑，這種分布盤是由兒部分做成的，升氣管與盤板滾壓嵌接成一體，達(dá)到基本密封。

（3）筒式濾油器（或稱過濾籃筐）

筒式濾油器安裝在反應(yīng)器頂部，它給進(jìn)料提供更大的表面積，這樣就允許催化劑床層積蓄較多的垢屑或沉積物而不致過度增大床層壓降。筒式濾油器是空心的，用鏈條結(jié)在一起，并用鏈條固在支持梁上，以防止卸催化劑時堵塞催化劑卸料管。鏈條的長度必須足夠松弛，以使濾油筒隨催化劑床層下沉。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，催化劑床層下沉量約5%。

但是也有報道認(rèn)為，過濾油筒安裝在液體分布盤的上部，反而效果更好。

（4）催化劑床層支件

支持催化劑床層的結(jié)構(gòu)件是T形橫梁、格柵、篩網(wǎng)和瓷球。T形橫梁橫跨筒體，頂部逐步變尖，以減少阻力。

（5）急冷箱和再分布板

急冷箱的作用是將上面床層流下來的反應(yīng)物料和冷氫充分混合，使物料進(jìn)人卜一層催化劑床層之前重新分布均勻，急冷箱結(jié)構(gòu)見圖。急冷箱是由安裝在冷氫管下面的三塊板組成。第一層板是截流板，把反應(yīng)物料集合起來排人急冷箱。在這層板下，只開有兩個孔，全部物料和氫氣都必須從這兩個孔通過，使冷氫和反應(yīng)物料充分混合。急冷箱置于急冷盤和噴散盤（篩板）之間，油氣在此混合，噴散盤上開有很多小孔，使急冷箱物料由此進(jìn)到第三塊板（即泡帽再分布板），再從再分布板進(jìn)人下一層催化劑床層。使用裝有這種結(jié)構(gòu)急冷箱的加氫裂化和加氫精制反應(yīng)器的實踐證明，這種結(jié)構(gòu)可以保證床層溫度分布非常均勻，每個床層底部的徑向溫差都小于1℃。

（6）反應(yīng)器出口集油器

反應(yīng)器出口集油器如圖所示，起支撐下層催化劑床層的作用，在集油器周圍填入陶瓷球。

加氫精制反應(yīng)器內(nèi)催化劑一般只分兩層，所以采用在床層內(nèi)部連通的四根卸料管，可把催化劑卸至反應(yīng)器底部排出。

對于加氫裂化反應(yīng)器，因為床層多，采用連通管時在床層之間會有氣體互相串通，對加氫裂化反應(yīng)不利，所以采用在每個床層的側(cè)壁開口卸催化劑。1

工作過程由反應(yīng)段出來的加氫生成油首先被送到熱交換器，用新鮮原料冷卻，然后進(jìn)入空冷器。在高低壓分離器中脫除溶解在液體產(chǎn)物中的氣體。將從分離器內(nèi)分離出的循環(huán)氣通過吸收塔，以脫除其中的大部分硫化氫。在某些情況下，可以將循環(huán)氣進(jìn)行吸附精制，完全除去低沸點(diǎn)烴。有時還要對液體產(chǎn)物進(jìn)行堿洗和水洗；加氫生成油經(jīng)過蒸餾，可制得柴油（200-350℃餾分）、催化裂化原料油（350~500℃餾分）和大于500℃的殘油。

根據(jù)原料油的質(zhì)量以及對最終產(chǎn)品的要求，加氫脫硫工藝的流程型式可以是一段式、二段式或多段式?？梢圆谎h(huán)操作，也可以令部分加氫油與原料混合，實行部分循環(huán)操作以提高總精制深度。2

分類按照催化劑固定方式的不同，Biardi等將固定床反應(yīng)器分為傳統(tǒng)型與非傳統(tǒng)型兩種。傳統(tǒng)型固定床是指催化劑以粒子形式進(jìn)行堆積，主要有并流下行泡沫床和并流上行泡沫床；非傳統(tǒng)型固定床是指將催化劑以某種形態(tài)負(fù)載或固定于某種結(jié)構(gòu)填料上，通常使用Monolith催化劑和Katapak—Sandwich催化劑等。

1、并流下行泡沫床

Solvay公司認(rèn)為當(dāng)氣、液相并流下行時，如果同時成倍地提高工作液和氫氣的流量，可以從滴流床過渡到泡沫床。因為泡沫床的氣液接觸面積較滴流床有了明顯的提高，所以氣液相間的傳質(zhì)作用明顯增強(qiáng)。并且，這種改進(jìn)不需增加輔助設(shè)備就可方便地實現(xiàn)。同時，為了解決快速反應(yīng)和加壓條件下泡沫的淬滅、聚并，以及由此引起的床層壓降波動較大、進(jìn)料難以控制的問題，該專利采用惰性氣體（最好是氮?dú)猓﹣硐♂寶錃?，并給出了氮?dú)渥顑?yōu)比。這樣，不僅可以穩(wěn)定床層壓降，還可提高催化劑的選擇性。與之相反的一種稱為并流上行泡沫床。

2、并流上行泡沫床

1、Solvay公司采用高1．4m、直徑18mm的反應(yīng)器，使用不同粒徑的球形Pd—SiO：催化劑，讓氣液由反應(yīng)器的底部進(jìn)料，并流上行，通過調(diào)整氣液流量比使其達(dá)到泡沫狀態(tài)。并認(rèn)為并流上行泡沫床優(yōu)于并流下行泡沫床，對加氫過程更為有利。其一，與并流下行泡沫床相比，并流上行泡沫床的床層壓降更小，床層穩(wěn)定性更好；其二，并流上行泡沫床的氣液相流速低，甚至可以和液相以化學(xué)計量比進(jìn)料，就町以獲取較高的單程加氫效率。這種方法的缺點(diǎn)是催化劑周圍的滯液量較大，加速了催化劑的失活。

2、Monolith固定床反應(yīng)器

Monolith固定床反應(yīng)器是通過利用平行于道內(nèi)載催化劑為固定床，從而達(dá)到提高三相接觸效率和固定床時空收率，降低床層壓降的目的。當(dāng)氫氣經(jīng)分布器后形成的氣泡直徑通常比Monolith固定床的孔道要小。根據(jù)氣液流速的變化，兩相流的流型有4種，即鼓泡流、Taylor流、環(huán)狀流和彈狀流。EkaNobel公司建議使Monolith孔道內(nèi)的流型處Taylor流，此時對反應(yīng)最為有利。液相蒽醌工作液從反應(yīng)器的頂部進(jìn)料，氫氣從反應(yīng)器的底部進(jìn)料與液相反應(yīng)，未反應(yīng)的部分經(jīng)外循環(huán)去塔頂繼續(xù)參與反應(yīng)，使床層壓降為零，反應(yīng)器內(nèi)的壓力接近常數(shù)，這對于提高反應(yīng)的選擇性有鶯要的作用。實驗證實，與傳統(tǒng)工藝相比，該工藝的放大效果很好，工業(yè)規(guī)模對實驗室規(guī)模的放大效應(yīng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)工藝。目前，該工藝已被EkaNobel公司應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過氧化氫中，成為Monolith固定床反應(yīng)器工業(yè)化的經(jīng)典范例。1

特點(diǎn)固定床反應(yīng)器床層薄，流速低，床層內(nèi)的流體軸向流動可看作是理想置換流動，因而化學(xué)反應(yīng)速率較快，完成同樣的生產(chǎn)任務(wù)所需的催化劑用量和反應(yīng)器體積較小，流體停留時間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，有利于提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性；固定床中催化劑不易磨損，可在高溫高壓下操作。當(dāng)然，固定床也存在一些缺點(diǎn)，如傳熱性能差；不能使用細(xì)粒催化劑（不能充分利用催化劑內(nèi)表面），催化劑的再生、更換均不方便。11

應(yīng)用固定床加氫反應(yīng)器在化工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛?；居袡C(jī)化工中，乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙苯脫氧制苯乙烯、乙烯水合制乙醇等反應(yīng)均在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行。2