第一章 石油化工静设备反应器Word文件下载.docx
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（沸腾床反应器）
它是一种以一定流速的流体（原料油和氢气）从反应器下部进人而通过装填微粒（或细粉）催化剂的床层时，使催化剂粒间空隙率随流速渐增而逐渐拉开，催化剂床层体积开始膨胀，直至催化剂床层被流体托起的反应设备。
流化床反应器大致还可以划分为悬浮床反应器（或称浆态床反应器）和膨胀床反应器（或称沸腾床反应器）
主要也是用于加工处理含有较多金属有机化合物、沥青质及固体渣质的渣油场合
当今，在各种加氢装置中，仍以固定床反应器使用最多。
为了使进入反应器的液体停留时间更短，以避免碳析出和当采用较大的液体流速时，不至于引起催化剂流化或磨损；
另外还为了使反应器的压降更小，几乎都采用气液并流下流式的流动形式。
2、按反应器使用状态分类
从使用状态下按反应器内部的高温介质是否直接与器壁接触，可分为冷壁结构和热壁结构两种。
此两种结构形式反应器的特点与应用情况见表1-1-2。
表1-1-2冷热壁结构反应器特征与应用情况
冷壁结构
热壁结构
隔热形式
器壁内表面设非金属隔热衬里
器壁外设保温
设计温度（或壁温）选定
国外：
设计壁温一般按150~200℃
国内：
设计壁温一般按300℃
设计温度一般可按照最高操作温度加10~20℃
器壁局部过热现象
易
不易
反应器有效容积利用率
小，一般为50％~70％
大，一般可达80％~90％
材料选用
因壁温低，可选用耐高温氢腐蚀档次较低的材料。
由于有隔热衬里层，一般实际壁温在200℃以下，即使反应物料中含有H
S，对器壁的腐蚀也不大
需选用能抗高温氢腐蚀的材料，若存在有浓度>
0.02mol％的H
S，且设计温度>
260℃时，一般还要考虑设置不锈钢覆盖层（采用堆焊层或复合钢板的方法）以抵抗H
S的腐蚀
施工与维护
施工周期长，生产维护不方便
施工周期短，生产维护方便
设备制造费用
相对较低
相对较高
应用情况
目前仍有20世纪80年代初以前建造的反应器在应用
现在极少使用
从20世纪80年代起陆续开始使用，新设计和建造的反应器全为热壁结构。
国内自行开发研制的首台锻焊结构热壁加氢反应器投用至今，已安全可靠地运行近20年
注：
①在冷壁结构中还有一种称为"
瓶衬"
式的冷壁结构（见图1-1-4）。
它是在反应器内壁与内衬筒之间的环形空间通入经过换热后的温度不高的氢气，以隔绝含高温氢气的介质直接与反应器器壁接触，从而达到避免使器壁遭受高温氢腐蚀的目的。
图1-1-1固定床反应器示意图
图1-1-2移动床反应器示意图（OCR工艺催化剂移动输送系统）
②反应器有效容积利用率系指反应器中催化剂装人体积与反应器容积之比。
3、按反应器本体结构特征分类
按反应器本体结构的特征可分为两大类：
一是单层结构，二是多层结构。
在单层结构中又有钢板卷焊结构和锻焊结构两种。
多层结构用于加氢反应器上的一般有绕带式、热套式等几种形式。
1.1.2加氢反应器结构
1、加氢反应器本体结构
加氢反应器的本体结构，根据不同的年代的技术水平与需求，曾使用了不同形式的本体结构。
表1-1-5是曾使用过板焊、锻焊和多层3种不同本体结构特征的比较。
在应用中到底选用何种本体结构形式，主要取决于使用条件、反应器尺寸、制造厂的加工
装备能力及其交货周期以及经济上的合理性和用户的需要等诸因素。
近20多年来，多层结构在高温高压加氢装置设备上很少应用。
这是由于钢材生产技术的飞快发展已能生产出性能很好的450~500㎜厚截面的大锻件和厚约300㎜的厚钢板，且相配套的焊接、热处理、无损检测等技术也有很大的进步，为大型单层结构设备的制造创造了非常有利的条件。
另外，
图1-1-4“瓶衬”结构冷壁反应器
国外也有专家认为，对于高温高压的使用环境及伴随有压力、温度急剧波动的装置，采用多层结构是不适宜的。
到目前为止，国内制造过的2.25Cr-1Mo-0.25V钢锻焊结构和2.25Cr–1Mo钢板焊结构加氢反应器最厚壁厚分别为334㎜和180㎜。
表1-1-5加氢反应器不同本体结构的特征
锻焊结构
板焊结构
多层结构
可用于高温高压场合。
其最高使用温度取决于所用材料的性能（如抗高温氢腐蚀性能等）。
一般适用于厚度大于160~180mm以上的场合
其最高使用温度取决于所用材料的性能（如抗高温氢腐蚀性能等）
可用于高压，但温度不宜太高。
因为它存在结构上不连接性的缺点，会造成较大的热应力和因缺口效应而使疲劳强度下降等。
一般对于温度高于350℃和温度、压力有急剧波动的场合，选用要谨慎。
约500
约300
总厚约600.。
一般内筒厚16~20，层板厚为4~8，有的可达14
⑴须选择能满足标准规定的化学成分、力学性能和抗环境脆裂（如高温氢腐蚀）性能要求的材料
⑵当有
腐蚀时，要在内表面堆焊不锈钢堆焊层
腐蚀时，要在内表面堆焊不锈钢覆盖层（采用复合钢板或堆焊不锈钢）
⑴内筒选用抗高温氢腐蚀和
腐蚀的材料（如不锈钢）
⑵层板可采用高强钢，以利设备轻量化
筒节锻坯由于需轻墩粗、拔长、墩粗、冲孔的锻造加工过程，可冲掉中心部位的偏析与夹杂，使筒节材料的内在质量得到改善，从而提高反应器的抗氢损伤能力。
材料利用率相对较低
在合适厚度范围内，钢板也能获得与锻件相近的特性。
材料利用率相对较高
由于钢板较薄，其内在质量较容易得到保证。
可采用有限元法等进行
对层间和焊缝部位的应力状况，需要根据实验来分析
仅有环焊缝，对提高反应器耐周向应力的可靠性有利。
而且焊缝少
有纵、环焊缝、焊缝多。
焊接工作量大
但焊缝系薄（或较薄）板焊接，其质量较易保证
难
较易
必需
一般不进行
超过临界裂纹后迅速扩展
缓慢地、阶段地扩展
2、加氢反应器局部结构
过去反应器曾有某些脆性损伤发生在应力集中的高应力区，诸如承受重载荷的内部支持圈拐角处和法兰密封槽槽底拐角处以及外部附件连接焊缝部位等。
为了避免或尽可能减少各种损伤的发生，对相关局部结构做了如下改进。
（1）催化剂支承结构
图1-1-5催化剂支承结构的改进
催化剂支承结构一般都由过去的图1-1-5（a）改进成图1-1一5（b）的结构。
（2）法兰密封结构
一般，反应器上的接管法兰多采用环形八角形金属垫片密封。
由于原先设计上有不完善之处，且螺栓载荷又较大，曾在法兰密封槽底部拐角处产生过裂纹，而且判定是不锈钢堆焊层的氢脆开裂。
原因之一是该部位有较大的应力集中。
为此，将法兰密封槽底拐角处通常标准规定的圆角R适当加大；
原因之二是TP347堆焊层的延性较低。
为此相应采取了如图中所注的改变TP347堆焊时机，以提高TP347堆焊层的延性，增强其抗氢脆开裂的能力。
具体的结构改进见图1-1-6（a）和图1-1-6（b）。
（3）反应器支承结构
为改善反应器裙座支承部位的应力状况和能使裙座连接处的焊缝在制造中和使用过程的停工检修时可以进行超声检测或射线检测，将此处结构由图1-1-7（a）的各种形式改进为图1-1-7（b）的相应形式。
（4）反应器裙座连接处的结构
在操作状态下，裙座与壳体连接部位由于器壁和裙座的边界条件差别较大，往往存在着较大的热应力。
为了能使裙座连接部位的温度梯度减小，以降低其热应力，在裙座内采取增设一个热箱结构是很有效的措施。
所以,裙座处的连接结构由过去的图1-1–8（a）改进成设有热箱结构的图1-1-8（b）形式。
一般，当反应器的操作温度≥370℃或反应器壁厚≥50㎜；
操作温度≥260℃时就宜设置热箱结构。
热箱的具体设置位置（高度）应通过对此
部位的热分析，并获得满意的应力值后确定。
但热箱的最小高度（即裙座与封头的连接点至
图1-1-8裙座连接部位结构的改进
热箱圈板的上表面距离）至少不能小于（RT）0.5（R为裙座半径，T为裙座厚度）。
（5）反应器外部附件连接结构
为改进过去附于反应器外表面的一些附件（如保温支持圈、管架、平台支架等）的连接焊缝难以焊透所带来的隐患，采取尽可能不将各种附件与器壁外表面直接焊的办法或结构。
如保温支承结构现多采用如图1-1-9所示的不直接焊于反应器外表面而是披挂其上的鼠笼式结构。
当某些附件必须与反应器外壁相焊时，则应采用全焊透结构。
1.1.3加氢反应器内件设置
反应器内件性能的优劣将与催化剂性能一起体现出所采用加氢工艺的先进性。
所以，内件特性的先进性与设计技巧是至关重要的。
从工艺过程的角度出发，最关键的一点是要使反应进料（气液相）与催化剂颗粒〔固相）有效地接触，在催化剂床层内不发生流体偏流。
偏流的出现将可能引起局部过热，它既可能危及设备的安全使用，又会影响反应效率，还将使催化剂的使用寿命受到损害。
从设备设计的角度说，值得特别注意的问题是，在保证内件具有高效性能和稳定操作的前提下，应将内件结构设计得更加紧凑，尽量缩小空间所占高度，以达到最大限度地利用反应器容积。
通常，固定床反应器内一般设有入口扩散器、气液分配盘、积垢篮、冷氢箱、热电偶和出口收集器等，如图1-1-10所示。
在表1-1-4和相应的图示中说明或示意了这些主要内件的作用、典型结构及相关的注意要点。
图1-1-10内件的设置
内件名称
设置目的
典型结构型式
注意要点
入口扩散器（或称预分配器）
防止高速流体直接冲击液体分配盘而影响分配效果；
使气液产生预混合并尽可能扩散到整个反应器截面上
对于图1-1-11（b）所示的周边开有长圆孔的扩散器还可起到积存进料中的一些锈垢的作用
见图1-1-11（a）（b）
（a）型：
（i）进料方向应垂直于入口扩散器上的两条开孔；
（ii）两层水平挡板上的开孔应对中；
（iii）水平挡板上的开孔应垂直于板面。
（b）型：
根据液体及沉积物量确定长槽孔的大小、数量和位置
气液分配盘
使进人反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效地接触，充分发挥催化剂的作用
目前国内外所用的气液分配器按其作用机理大致可分为溢流型和（抽吸）喷射型两类或二者机理兼有的混合型
见图1-1-12（a）（b）
（i）最关键是应保证分配盘上不漏液，可采用耐高温填料垫密或其他措施来保证。
安装后充水100mm高，一般以在50min内液位降低不小于25mm为合格；
（ii）控制制造安装水平度。
应严格按照内件专利商规定的要求，或者对于喷射型或混合型，包括制造公差和梁在荷载作用下的挠度在内可按±
5mm控制，对于溢流型，其要求还应稍严；
（iii）分配盘的设计荷载，应包括通过分配盘的压力降么△p、盘上的液体量及分配盘自重（计算时，其许用应力按最高的操作温度考虑）。
此外，还要考虑在停工检修的工况，此时支承件至少还应满
足常温下承受1200N集中荷载的要求
积垢篮①
积垢篮置于催化剂床层的顶部，是由各种规格不锈钢金属丝网与骨架构成的篮框。
它为反应器进料提供更多的流通面积，使催化剂床层可聚集更多的锈垢和沉积物而不至于引起床层压降过分地增加
见图1-1-13
（i）积垢篮在装入反应器内时，其篮内应是空的。
在装填催化剂时务必注意这一点；
（ii）积垢篮一般按边长约300mm的三角形排列，安装时用链条将其连在一起，并拴到上面的分配器支承梁上，还要考虑拴连链条应有足够的长度裕量，以能适应催化剂床层经运行后的下沉（可按下沉5%考虑）
冷氢箱
用以控制加氢过程放热反应引起的催化剂床层温度升高，并为上床层来的高温物流在此与急冷氢进行热交换。
图示的冷氢箱结构由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组成，可使来自上面床层的反应物料和起冷却作用的冷氢充分混合，而后又将具有均匀温度的气液混合物再均匀地分配到下面的催化剂床层上
见图1-1-14及见图1-1-14（a）
（i）冷氢管内设置的隔、挡板应使从两个开孔中喷出的氢气量是相当的；
（ii）为发挥冷氢的作用效果，冷氢盘和冷氢箱应采用耐高温填料密封，或采取其他措施以保证不漏液，可按气液分配盘的试漏标准验收；
（iii）冷氢盘和喷射盘的安装水平度，包括制造公差、荷载作用下的挠度等在内，可按±
6mm控制。
再分配盘的要求与气液分配盘相同
热电偶
为监视加氢放热反应引起床层温度升高及床层截面温度分布状况而对操作温度进行监测。
热电偶的安装有从筒体上径向插入和从反应器顶封头上垂直方向插入的方式，如图1-1-159。
在径向水平插人的形式中又有横跨整个截面的和仅插入一定长度的两种情况。
以往床层测温基本采用铠装热电偶。
近年多数在采用铠装热电偶的同时，还采用了一种称为柔性热电偶（flexiblethermocouples）的结构，它可在一个热电偶开口接管上设置高密度的测点，并具有快速反应时间（4~8s）和对床层温度飘移能迅速反应等特性，可对床层截面温度进行多点测量，因而可对工艺过程进行有效的控制
另外，为了监控反应器器壁金属的温度情况，也往往在反应器外表面的筒体圆周上或封头和开口接管的相关部位设置一定数量的表面热电偶
见图1-1-15（a）（b）（c）
（i）对径向水平插人的热电偶套管要注意由于操作过程催化剂下沉和停工检修卸出催化剂时被压弯的可能性，特别是当反应器直径较大时更不可忽略;
（ii）径向水平插人一定长度的热电偶，其套管与反应器筒体在现场焊接的焊缝曾有发生裂纹的实例，因此在设计时对于确定的设置位置应尽可能为现场施焊创造较为方便的条件，同时施焊操作也要更加细心；
（iii）顶部垂直插人的热电偶套管，当长度较长时，要适当设置导向结构，以利套管在操作状态下因受热伸长时而不受到阻碍
出口收集器
用于支承下部的催化剂床层，以减轻床层的压降和改善反应物料的分配
见图1-1-16
要在出口收集器与下封头接触的下沿或与其连接的定心环的圆周上开设数个缺口，以便停工时排液用
①近年几乎都在反应器顶部装填大孔隙的惰性多孔球或脱金属催化剂替代此结构
1.1.4加氢反应器的损伤
1、热壁加氢反应器的损伤形式
热壁加氢反应器由于器壁直接与高温、高压氢与硫化氢介质接触，操作条件相当苛刻，有可能引起诸如高温氢腐蚀、氢脆、硫化物应力腐蚀开裂、铬-钼钢回火脆性破坏和奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离等损伤。
目前虽然在工程应用上已能够采取一些有效措施加以防止，但是，如果处理不当，仍有发生的危险。
表1-1-5列出了这些损伤发生的部位、主要特征及其应采取的预防措施。
防止或减轻加氢反应器可能发生如前表所列的各种损伤，在很大程度上主要取决于用于制造反应器的材料（包括焊材）成分与性能。
在选择材料时，至少应使其满足下列基本要求：
⑴应符合适用规范所规定的化学成分、常温和髙温力学性能以及设计提出的附加要求；
⑵应具有良好的内在质量（致密性、纯净性和均质性），这对于厚钢板和大截面锻件尤为重要；
⑶应具有能在加氢苛刻环境下长期使用的耐环境脆化特性性能；
⑷经济上要合理。
图1-1-11入口扩散器示意图
图1-1-12气液分配盘
图1-1-14冷氢箱结构示意图
图1-1-15热电偶管的安装方式
图1-1-16出口收集器示意图
损伤类型
损伤部位
主要特征
对策
高温氢腐蚀
母材及焊缝金属
在高温高压氢环境下操作的设备，所发生的高温氢腐蚀有两种形式：
一是表面脱碳。
表面
脱碳不产生裂纹，一般影响较轻，其钢材的强度和硬度局部有所下降而延性提高；
二是内部
脱碳与开裂。
它是由于氢侵人扩散到钢中与固溶碳或不稳定的碳化物发生化学反应，生成甲
烷，即
。
而甲垸又不能逸出钢外，就聚集在晶界空穴和/或夹杂
物附近，形成很高的局部应力，导致钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡并使强度、延性和韧性显著
下降。
由于这种脆性损伤是发生化学反应的结果，它具有不可逆的性质，也称永久脆化现
象。
高温高压氢引起钢的损伤要经过一段时间，在此段时间内，材料的力学性能没有明显
的变化，而经过这段时间以后，钢材强度、延性和韧性就会遭到严重的损伤。
在发生高温氢
腐蚀之前的此段时间称为"
孕育期"
（或称潜伏期）。
"
的概念对于工程上的应用是非
常重要的，它可被用来确定设备所采用钢材的大致安全使用时间。
的长短取决于
包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量和作用应力等许多因素
①可依据最新版的纳尔逊曲线来正确选择能抵抗高温氢腐蚀的材料；
②尽量减少钢材中对高温氢腐蚀产生不利影响的杂质元素（如Sn、Sb）含量；
③制造中或在役中的返修补焊后必须进行焊后热处理；
④操作中严防设备超温；
⑤控制外加应力水平
氢脆
1.1.5热壁加氢反应器的在役检验
热壁加氢反应器由于可能发生的损伤形式较多，而且内表面又往往有不锈钢堆焊层，其
在役检验工作较为复杂，与其他设备的检验有所不同。
在役检验的主要目的是要检查出反应器在使用条件（包括所经历的各种工况）下新产生和发展的缺陷（主要是裂纹并复查过去巳检出的记录缺陷。
对发现和扩展的缺陷进行定性、定量和定位分析，然后应用断裂力学原理予以评价，以确定其是否可以继续使用还是需要修补或处理，并评估与推断其继续运行到下一周期的安全可靠性。
在役反应器的检验，不可能也没有必要按制造时所要求的检验项目全部进行100%的检验。
除国家法规对在役设备规定的必检项目外，对热壁加氢反应器来说，应以检查有无高温氢腐蚀、氢致裂纹、堆焊层的氢致剥离裂纹和回火脆化程度（装有试块时）等为主要内容。
检验的范围和数量一般可根据以下几方面进行综合考虑后确定：
⑴使用中通常容易出现裂纹的部位，如法兰的梯形密封槽、主焊缝、开口接管的连接焊缝、内外部构件与壳体的连接焊缝处等；
⑵容易产生堆焊层氢致剥离裂纹或发生几率较大的部位。
虽影响堆焊层氢致剥离裂纹的因素较多，但其中操作温度和氢分压是最重要的参数，由图1-1-23可见，操作的氢分压和温度越高，就越容易发生剥离。
而对于操作条件较缓和的加氢精制反应器，则发生氢致剥离的可能性是较小的。
另外，在国内外所发现氢致剥离的实例中，在封头上一般是极少见到的；
⑶根据过去的操作历史，包括温度、压力及其超温、超压和开停工（含发生异常情况的非正常停工）次数等情况；
⑷根据过去的检验记录，如所记录的缺陷情况、返修部位等。
总的来说，检验的重点应该是法兰密封面、高应力和应力集中区、主焊缝、堆焊层及其层下缺陷和主螺栓。
在役反应器可能发生的、也是使用者最关心的缺陷，主要是平面缺陷（如裂纹等）。
而且，这类缺陷往往从应力集中部位的表面萌生。
为此，在役检验主要应采用无损检测方法来发现它们。
包括采用目视检查（VT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）和超声检测（UT）、以及TOFD检测。
尤其超声检测和超声波衍射时差法检测都是有效的检测手段。
此外，国外有时还采用声发射检查（AET）作为辅助的手段。
因为仅依靠的检查结果来判断反应器的安全性尚有困难，一般都是对人检查中发现有强烈信号的区域再采用其他的无损检测方法进行仔细的复查。
图1-1-24
检查对象及具体例
检查方向①
对象
举例
图1-1-24中编号
主要缺陷
从外壁
从内壁
UT
MT
PT
VT
主法兰
上下大法兰梯形密封槽的拐角处
平面缺陷
②
√
主焊缝③
筒节与筒节及筒节与封头的对接焊缝
平面缺陷或体积缺陷
壳体③
筒体与封头
10
开口接管连接焊缝
反应器上的主要开口接管
5
内部支持圈凸台
催化剂格栅支持圈凸台的上下表面
4
不锈钢堆焊层
筒体中承受载荷较苛刻部位的堆焊层
6
不锈钢内件的连接焊缝
冷氢箱内群筒与堆焊层的连接焊缝
7
外构件连接焊缝
脚焊缝，如吊耳等
8
对接焊缝，如裙座（外侧）
9
主螺栓④
裂纹
①为判断某些部位的损伤或材质优劣化情况，还可以进行硬度、不锈钢堆焊层铁素体含量或金相显微组织的测定或检验。
②UT可从法兰（法兰接管）的内表面或顶面进行。
③当需要检验高温氢腐蚀时，也可采用UT方法。
④也可采用UT方法。
反应器在使用中的损坏，可用图1-1-25所示的曲线来示意。
图中各曲线（或点）的含义：
线①表示反应器在使用过程中由于材料（含焊缝）产生回火脆化、氢脆等损伤使设备本体内所允许存在的临界缺陷尺寸逐渐变小（即线①呈逐渐下降趋势）；
图1-1-25中下面一条线的始端点②，表示反应器使用中由于各种原因（如高温氢腐蚀、氢脆等）产生了裂纹，并且由于各种机制可引起亚临界裂纹增长（即线③是逐渐向上升的）。
当这两条线相交在一起时，反应器就会发生损伤。
在在役检验中，一旦发现反应器等设备上存在严重缺陷可能导致停产和安全使用时，就应对缺陷进行处理。
1.2重整反应器
升级会员 