一种新型轴径向反应器的工业应用

摘要: 本文介绍一种新型轴径向反应器，结构充分利用反应器的球形封头内空间，最大化提高反应器有效容积利用率，降低设备筒体高度，节省设备投资。通过工业应用情况表明，新型轴径向反应器床层气流分布均匀，床层压降小，达到了预期设计的目标。变换气的反 应深度满足工艺要求，可以替代传统的轴径向反应器。

关键词: 轴径向反应器；新型；工业应用

      轴径向反应器是一种气体流动方向与设备轴向相垂直的反应器，大都用于气-固催化反应，也有用于非催化反应。反应流经径向反应器的颗粒床层时，由于流通截面积大，流速小，流道短，具有压力降小的显著特点，为此，可采用小颗粒的催化剂或固相反应物，反应速率及反应器的生产能力均得以增加。

      所谓轴径向反应器，就是催化剂床层既有轴向床、又有径 向床。轴向床在上，床层顶部设置催化剂封，反应气体沿轴向自上而下流经床层，形成轴向床，使进塔气分布均匀，反应速度快。径向床在下，反应气体沿径向由外向内流经床层，充分发 挥催化剂活性和保持低压降。轴径向反应器的设计关键是合 理地进行气体分布装置的设计，使得反应气体能够沿设备的轴 向均匀地流过固定床，即气体均布设计。

      本文介绍与传统轴径向反应器不同，一种新型结构的轴径 向反应器，并总结工业应用的情况。

1.轴径向反应器的结构

图 1 传统轴径向反应器结构示意图        图 2 新型轴径向反应器结构示意图

      轴径向反应器由反应器筒体、两个同轴的多孔分布筒、上封头、下封头和催化剂盖板组成，筒体与外分布筒之间的环隙形成外流道，内分布筒的内部空间形成中心流道，内外分布筒之间装填催化剂，流体以径向流动方式通过催化剂床。考虑到催化剂在使用过程中的沉降、破损或其在还原过程中的体积收缩，在内外分布筒上部要设置一定的不开孔区，称为“催化剂封”，以防止流体回流和短路。在径向流反应器中，流体逐渐分流进入床层的流道称为分流流道，而流出床层汇入的流道称为集流流道。

     传统的轴径向反应器结构如图1所示，催化剂顶部铺一层耐火球，压住催化剂；底部铺耐火瓷球，支撑催化剂，一般在反应器的球形封头内装满耐火球。流体进入反应器内，部分流体沿轴向从顶部流过耐火球、催化剂封、内分布筒进入集流流道。 其余大部分流体流入分流流道，沿径向流过外分布筒、催化剂、内分布筒进入集流流道，最后反应后流体一起从集流流道流出反应器。

      新型轴径向反应器结构如图2所示，创新点在于充分利用反应器的球形封头内空间，减少耐火球的装填空间，催化剂适当下移至球形封头内。流体的流向基本没有改变，唯一不同的就是催化剂床层底部的流体由传统的垂直径向，变为向下倾斜径向。应用新型轴径向反应器的优势有:

    （1）催化剂装填在外分布器、中心管及壳体组成的凹形空间，仅在下封头底部装填适量的瓷球，充分利用壳体下部及封头的空间装填催化剂，最大化提高反应器有效容积利用率，从而降低设备筒体高度，节省投资。

    （2）本反应器结构优化，取消了常规轴径向/径向反应器下端盖板及其支承构件，取消了径向反应器上部隔板，降低了反应器不锈钢内构件重量，降低了设备制造难度，减轻了设备制造工作量，缩短了设备制造周期，减少了设备投资。

    （3）本反应器催化剂全部参与变换反应，将径向反应器催化剂封所占容积变为有效容积，再次提高了反应器有效容积利用率，降低了设备造价。

2.应用实例

     以山西某项目第二变换炉为例，原料气气量580505Nm³/ h，温度243℃ , 压力 3.80MPa( g) ，采用小颗粒耐硫变换催化剂，装填量 110m³，为减少床层压降，采用轴径向反应器。分别按传统、新型轴径向反应器计算设备尺寸如表1所示。

表 1  轴径向反应器尺寸比较

      从表1中可以看出，采用新型轴径向反应器，反应器切线高度缩短1.5 米，重量减少18.7，投资减少102.85 万元，约节省投资9.5% ，所以本项目反应器按新型轴径向反应器进行设 计。

图 3    轴径向反应器设备简图

      由于新型轴径向反应器的催化剂床层底部的流体流道为向下倾斜径向，与传统反应器不同，为了使不同流道流体的反应程度一致，须保证流道路径长的流体与流道路径短的流体穿过催化剂床层的压降相等，新型反应器设计：外分布筒开孔均匀，内分布筒开孔上疏下密，设计允许压降＜50kPa 。为了均匀测定反应器床层温度，共设置三支热电偶套管，每支套管设计六个测温点，设备简图如图3所示。

工业应用

      2017年项目如期开车运行，经过一年运行磨合期后，现场采集到各工况运行数据整理如表2所示。

      通过表2 中数据可以看出，三种运行工况 ( 满负荷103.6% 、半负荷50.9% 、低负荷18.9% ) 的运行数据均与设计值相差不大，反应压力、床层压降均在设计范围内，满足设计要 求；反应温度稍高于设计计算数据，在第二变换炉设备设计温度450℃ 范围内，满足设计要求； 变换气的变换深度在设计范围 内，产品的 H₂/CO 指标满足设计要求。

      床层各温度点的分布情况是反映轴径向反应器性能指标的关键因素，整个床层共设置六层测温，每一层均设三个测温点，第一层温度点为敏感点，设置在催化剂顶下500mm。三种工况的各床层温度点分布数据见图4、图5、图6 所示。

表 2   现场运行数据

图 4    满负荷运行的各温度点分布情况

图 5    半负荷运行的各温度点分布情况

图 6   低负荷运行的各温度点分布情况

4.数据分析

      轴径向变换反应器设计要求气流分布均匀，主要表现是床 层温度分布均匀，不超温，系统压降小。 以下从床层压降和从床层温度分布两个方面进行分析，分析新型轴径向反应器的性能。

4.1 床层压降分析

      从表2现场运行数据可以看出，床层压降范围 0.03~0.021MPa，满负荷时床层压降最大，达到 0.021MPa，据车间技术人员反应，装置运行一年来床层压降最大为 0.028MPa，压降值均小于设计允许值0.05MPa，满足设计要求，达到预期目的。说明原料进气量波动较大的各工况下，反应器运行稳定，操作弹性大，且物流流经反应器的压降较小。

4.2 床层温度分布分析

      床层温度分布情况：整个床层共设置六层测温，每一层均设三个测温点，第一层温度点为敏感点，设置在催化剂顶以下500mm，气体在此处还未完全反应，因此温度点低于其他各点床层温度，分析比较时不考虑第一层温度点。通过比较其他各层 温度点的偏差，分析床层温度的均匀性，反应新型轴径向反应 器的性能。

      满负荷运行工况，每一层3个平行温度点的偏差＜10℃，上下各层温度点的偏差＜20℃ ，各层温差稍偏大，跟多次开停 车、催化剂泡水影响催化剂活性有关；

      半负荷运行，每一层3个平行温度点的偏差＜5℃ , 上下各 层温度点的偏差＜10℃；

      低负荷运行，每一层3个平行温度点的偏差＜5℃ , 上下各 层温度点的偏差＜10℃；

      从每一层温度的偏差可以看出，床层温度分布比较均匀，没有超温现象。反应器内轴向温差小，各点温度分布均匀，表 明各部分催化剂能充分发挥其活性，提高了催化剂的利用率和 反应的转化率。

      综上所述，轴径向反应器设计满足工艺要求，床层气流分布均匀，床层压降小，达到了预期设计的目标。同时，通过测定进出口变换气 H₂/CO 表明，变换气的反应深度满足工艺要求， 完成了反应器的预期任务，所以采用的新型轴径向反应器圆满 完成了设计任务。

5. 结论

      新型轴径向反应器充分利用反应器的球形封头内空间，减 少耐火球的装填空间，催化剂适当下移至球形封头内，最大化提高反应器有效容积利用率，从而降低设备筒体高度，节省设备投资。通过现场实际运行情况表明，新型轴径向反应器床层气流分布均匀，床层压降小，达到了预期设计的目标。变换气 的反应深度满足工艺流程要求，圆满完成了设计任务。所以采 用新型轴径向反应器可以替代传统的轴径向反应器。