及其工业应用
王岩彭德强刘杰齐慧敏
（中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院辽宁抚顺 113001）
气液混合器
摘要：本文介绍了抚顺石油化工研究院（FRIPP）开发的新型加氢反应器内构件技术及其在四川石化大型加氢装置实际应用情况，并对该装置运转情况进行了分析。工业应用结果表明，反 应器压降小且无升高现象，床层入口径向温差＜1℃，说明该内构件具有良好的流体分布性能。反 应器径向温差小，有利于提高催化剂利用率，为加氢反应装置长周期平稳运行提供了强有力的工 程技术保障。上述应用结果表明FRIPP内构件技术在大型加氢装置工业应用已取得了很好效果。
关键词：加氢反应器内置集垢器分配器冷氢箱
1 前言
随着加氢装置的大型化及加氢设备制造能力的提高，反应器直径不断增大，对反应器内构件的反应物流分配效果及冷氢的混合效果提出了越来越高的要求。反应器径向温差大，压降升高过快，是目前影响装置运转周期的关键问题。反应器径向温差主要由物料分布状态和催化剂床层装填疏密均匀程度所决定。径向温差大反过来又会引起催化剂床层局部板结，导致物料偏流更为严重和床层压力降异常升高。对于固定床加氢反应器，床层压降的大小不但涉及装置运行能耗和催化剂使用效率，更重要的是会影响到装置运行周期。而随着加工原料的劣质化及加工深度的进一步提高，反应器积垢现象也越来越多，使装置运行周期不断缩短。因此，开发新型高效的内构件技术对延长装置运行周期、提高经济效益具有重要意义。针对目前加氢装置运行中存在的问题，抚顺石油化工研究院（FRIPP）经过多年的研究与试验，研制开发了新型加氢反应器内构件技术，包括新型内置集垢器、喷嘴式分配器，旋叶式冷氢箱等并将其成功应用于四川石化等大型加氢装置。工业应用结果表明，FRIPP开发的新型加氢反应器内构件具有良好的流体分布性能。反应器径向温差小，有利于提高催化剂利用率，为加氢装置长周期平稳运行提供了强有力的工程技术保障[1-2]。
2 FRIPP新型加氢反应器内构件技术
2.1 FRIPP内置集垢器
随着原油劣质化日趋严重、加工工艺流程越来越长、连续化程度越来越高，原料油含酸引起设备及工
艺管线腐蚀所产生的锈垢、上游工艺失稳夹带而来的杂质、储运过程中的溶氧等，进入加氢反应器后均会产生垢物、覆盖催化剂床层表面，使反应器的压力降逐渐升高，严重时影响装置的正常生产。对于这种情况，一般的处理方法是装置停工，对反应器顶部催化剂进行撇头处理。这种处理方式降低了装置在线率，既造成本装置的经济损失，又影响上下游装置的生产运行。如何减少由于垢物覆盖催化剂（或保护剂）床层表面造成的反应器压力降，延长装置运行周期，提高在线率对于加氢装置来说是极为重要的[3-4]。
拦截垢物最常见的积垢元件就是积垢篮筐。它的特点是：以占用反应器有效空间为代价，为反应器的进入物料提供更多的流通面积，使催化剂床层聚集更多的锈垢和沉积物，而不致
引起床层压力降过分的增加。缺点是：顶部分配实现的物料分配结果，在积垢篮筐的作用下，被重新聚集，甚至消除了顶部分配盘的功能，导致床层物料沟流，降低了催化剂的利用率和反应物的转化率，导致催化剂床层径向温差较大。此外积垢篮筐还会占用反应器有效空间，使反应器宝贵空间的利用率明显降低，积垢篮筐安装位置和流态示意图如图1和图2所示。
图1 积垢篮筐安装位置示意图
图2 积垢篮筐流态示意图
FRIPP开发了一种新型内置集垢器，可以减少、延缓反应器床层压力降的升高。该内置集垢器设置在反应器封头空间内，将封头空间开发为垢物的存储地，当该空间被垢物充满后，内置集垢器失去功能，只作为物料通道使用，且不会有压力降产生。该内置集垢器能够提高反应器空间的利用率[2-3]。
该内置集垢器由集垢器塔盘、若干个并列安装的集垢器单体及安装组件构成。其结构及安装位置如图3所示。内置集垢器单体主要由均流围堰、减冲盘、筛网外筒体、阻垢剂、筛网内筒体所构成。工作时，不含垢物且流量占绝对多数的清洁气相，通过内置集垢器的中心通道直接进入下一床层。根据液相中所含污物的物性不同，通过设置“沉淀区”与“积垢区”，分别实现粒子的沉降和胶质的附着。
图3 新型集垢盘结构及安装位置示意图
本内置集垢器与老式的积垢篮筐相比，具有集垢效果好、占用反应器空间小、防堵性强、
阻垢剂利用效率高、不影响床层物料分布等特点。
2.2 FRIPP喷嘴式分配器
气液分配器的功能是将气液两相原料进行分配、混合、并均匀地喷洒到催化剂床层表面，改善液相在催化剂床层的流动状态。在催化剂床层中反应液体的分配不均匀会导致床层的局部过热和催化剂的结焦[3]。加氢过程为放热反应，液体在催化剂床层中分布较多的区域，会导致催化剂润湿效果好，反应程度剧烈，生成热量较多；催化剂区域温度越高，反应速率越快；上述两者效果叠加，就会形成过热点，使这部分催化剂性能过早失活，损害催化剂的性能，甚至会导致催化剂部分区域结焦、板结，并使其下方催化剂失去作用，从而大大降低催化剂的使用寿命和装置的运行周期。因此，在固定床加氢反应器中气液分配器的作用十分重要。
目前，国内外加氢反应器气液分布器大多不同程度存在气液分布不均匀的情况。如国内广泛使用的泡帽型分配器或改进型泡帽分配器，气液分布性能存在明显的不均匀情况。因此，为了生产超低硫燃料，开发气液分布效果好、液相分散更加均匀、压降小、尺寸小、安装难度低的分配器，具有十分重大的意义[5-7]。
FRIPP新型喷嘴式分配器，其分配机理与斜口管分配器机理相似，特点是：（1）在垂直降液管下部设置“w”形溅板，使气流对液流具有剪切和破碎作用，实现物料较大扩散角；（2）通过调整气液分配器
侧面液相溢流口位置与形状，形成合理的分配盘存液深度，降低分配盘水平度偏差与液位波动带来的宏观分配不均匀；（3）喷嘴式分配器尺寸较小，占用空间小，喷嘴间距小，大大增加了喷淋点数，使液流能够得到更均匀的分散，因此液体分配的微观均匀性十分优越。
喷嘴式分配器的主体结构由垂直降液管、雨帽、溅板构成。工作时，液相借助位差、利用溅板结构，在出口处形成均匀的液膜；在（提速）气相吹拂下，实现碎液；气相在出口（分散时）夹带液相实现分散；动能耗尽后自然滴落。图4为喷嘴式分配器的液态流动照片。
图4 喷嘴式分配器流态照片
2.3 FRIPP旋叶式冷氢箱
在加氢反应器中，冷氢箱的功能有两个：①取热控制反应物料温度；②混合物料并消除物料温差，实现温度均化。
对于多床层加氢反应器来说，原料油、油气和氢气在上一床层反应后温度升高。为了给下一床层提供适宜的入口反应温度，就必须采用中间加入冷氢的方式实现取热降温，即在两
个床层之间通入适量冷氢，在冷氢箱的作用下，冷氢、油气和液相油三者充分混合，实现传
质与传热，从而实现控制反应物系温度，为下一床层提供适宜的入口反应温度[5]。另外，经
过一个催化剂床层后，反应物料在床层径向截面上的温度分布可能会不均匀，甚至会出现局
部过热点。如果温度不等的物料直接进入下一个催化剂床层继续进行反应，可能会发生局部
飞温的情况，对催化剂危害很大，甚至会造成部分催化剂结焦失活，并会影响产品分布和产
品质量。因此，反应物料在进入下一个催化剂床层前，也需要利用冷氢箱将整个反应器截面
上的物料收集、混合，消除温差后再均匀分布到下一个催化剂床层上。
目前国内使用的冷氢箱多为UOP技术（碰撞式）的改进型，存在的主要缺点是气液换热
效果不太理想，体积较大，有时会使催化剂床层的最大径向温度达到20℃左右[8-9]。
FRIPP新型旋叶式冷氢箱由圆形冷却管、旋叶混合器和格栅溅锥混合器构成，结构紧凑，
可节省反应器空间，提高反应器利用率。旋叶式冷氢箱结构如图5所示。旋叶混合器置于格
栅溅锥混合器外，两者安装位置存在一定位差，旋叶混合器和格栅溅锥混合器串联使用。
图5 旋叶式冷氢箱结构
其工作原理为：上一床层的液相汇集塔盘上，经旋叶混合器的旋叶流道向中心流动，并
在旋叶流道内加速；液相在旋叶流道内加速后撞向流道末端折流板，流线发生90°折转，形
成喷溅。气液在此过程中实现两次气液传质、传热。
3 FRIPP内构件技术在四川石化柴油加氢精制装置上工业应用
3.1 装置简介
中国石油四川石化有限公司新建一套350万吨/年柴油加氢装置。该装置设计采用抚顺石
世界纠结排行榜油化工研究院开发的柴油加氢技术，以直馏柴油和催化柴油的混合油为原料，生产国Ⅳ标准
车用柴油。该装置采用热高分流程，炉前混氢，汽提、分馏双塔流程。该装置于2014年1
月开工，生产出合格产品，实现了开车一次成功的目标。该装置设置单台反应器，内径 4.8
米，高25米，共两个床层，采用FRIPP开发的包括内置集垢器、喷嘴式分配器、新型旋叶
式冷氢箱等在内的内构件技术。
3.2 装置运行情况
该装置操作条件和油品性质见表1，反应器主要运转数据见表2。
表1 操作条件及油品性质
项目数据
操作条件
进料量/t·h-1 280
体积空速/h-1 1.36
续表1
项目数据
入口压力/MPa 7.808 循氢量/kNm3·h-1 148.575
氢油比/Nm3·m-3 411.47 新氢量/kNm3·h-1 11.795
入口温度/℃ 322.0 出口温度/℃ 342.7 反应器压降/kPa 236
湖北医科大学
油品性质原料精制柴油
硫含量/µg·g-1 1708.40 15.30 氮含量/µg·g-1 27.9 <5.0 馏程（D-86）/℃
IBP/10%/50%/90%/95% 165.3/213.2/259.5/322.4/338.7 -/-/257.3/317.5/322.4 十六烷指数 50 52
表2 柴油加氢反应器运转数据
时间 2015年3月 2015年4月 2015年5月 2015年6月
反应进料量/t·h-1375 330 320 390实用性强
高分压力/MPa
7.350 7.350 7.350 7.350
一床层上层温度/℃ 331.9 331.9 331.8332.9332.8333.0332.0331.9331.8332.0 331.9 332.2
一床层下层温度/℃ 351.0 351.0 351.2354.3354.2354.5351.0350.9351.2353.4 353.8 354.6
禹州市二高二床层上层温度/℃ 348.7 348.8 349.0352.0352.0352.6348.8348.8349.0352.2 352.6 352.7
角动量守恒定律
二床层下层温度/℃ 353.7 352.6 353.8359.5360.7358.6353.7352.5353.8359.7 360.8 359.6
高分气冷后温度/℃48 49 50 50
混氢量/Nm3·h-1145000 150000 135000 140000 图6为反应器最新日期的DCS截图。
图6 2015年7月反应器DCS截图
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