沸腾床加氢反应器原理

沸腾床反应器的催化剂通常为挤压物，活性组分为镍-钼或镍-钴金属。反应器中的催化剂由液体反应物和富氢气体向上提升而处于流化状态，原料油和气体进入反应器内经分配器在反应器催化剂床层进行重新分配。

沸腾床反应器中的催化剂床层高度由循环液体流速控制。液体流速可以通过改变循环泵的转速来调节。沸腾状态的操作方式可以降低反应器的压力降，混合效果好，床层接近等温操作。因此，沸腾床反应器的操作类似于连续搅拌釜式反应器（CSTR）。沸腾床技术使用在线加排系统，新鲜催化剂可以不断地加入反应器，待生催化剂可以不断从反应器排出，从而保持反应器催化剂的活性稳定。沸腾床反应系统的运转时间与催化剂活性无关，而是与反应生成物中的沉积物量有关，一般沉积物量限制在0．8%～1．0%。

在重渣油加氢体系中，沸腾床是由气、液、固构成的三相反应系统，其中气相主要为氢气和部分烃蒸汽；液相为烃原料未蒸发的重组分；固相为设计独特的催化剂，其在反应时处于流化态。沸腾床反应器的结构如图1所示。

国外H-Oil工艺和LC-Fining工艺的反应器结构基本相同，反应器的技术核心包括流体分布系统、分离循环系统和催化剂的在线加排系统，其中流体分布系统主要包括流体预分配器和分布盘，它可使气液流体均匀进入反应器的催化剂床层；而分离循环系统主要由循环杯、下导管和循环泵构成，用于气液分离和提供床层膨胀的循环液体；在线加排系统主要用于新鲜催化剂的在线加入和待生催化剂的在线排出。这两种工艺的主要区别在于H-Oil技术使用外置的高压循环泵，为外循环操作方式；而LC-Fining技术将循环泵内置反应器底部，为内循环操作方式。 如图2所示。

1、流体分布系统

流体分布系统主要包括流体预分配器和分布盘。流体预分配器位于沸腾床反应器底部的高压室中，分布盘将高压室和装有催化剂的有效沸腾床反应区隔开。反应器流体分布设计不合理将造成操作困难，如高压室结焦、流体在催化剂床层分布不均、局部沸腾床层出现塌陷、催化剂床层有焦炭生成等。这些问题将缩短催化剂寿命，导致装置频繁停工，缩短正常的操作时间。

（1）流体预分配器

流体预分配器设置在沸腾床的高压室中，由带有至少两个挡板的环形喷嘴构成，挡板与流体流动方向垂直，最靠近反应器内部的挡板是实心板，其他的挡板中央开口，挡板之间彼此平行且有一定间距，挡板与喷嘴的中心线成45°～90°，设置这些挡板可以使液体物流呈放射状进入高压室，以便液体物流与气体均匀混合。在通常的重质油改质工艺中，流体经过带有挡板的喷嘴分布器的压力降为流体经预分配器和分布盘总压力降的5%～25%。如果液体直接注入高压室会形成滞留区，而高压室没有催化剂并且液体温度很高则容易结焦。而采用带挡板的喷嘴可以使气液充分混合，并且液体以放射状进入高压室，可以增强高压区的返混效果，不易形成滞留区，从而避免结焦。

（2）分布盘

沸腾床反应器的分布盘位于高压室上部，分布盘将高压室与装有沸腾床催化剂的有效反应区

分开。分布盘上有许多带有泡帽的孔，类似于蒸馏塔中使用的分布盘，但它需经特殊改造后才能用于沸腾床反应器。分布盘上的泡帽数根据泡帽直径、泡帽间距、分布盘直径和循环管线下导管直径来估算和设计。经分布盘的流体压力降为20～35kPa。使用多段分布盘，可以实现进入沸腾床反应器的气液均匀分布。多段分布盘包括由覆盖泡帽的多个流体管组成的上部主分布盘和由多个流体管构成的下部次分布盘。分布盘不但能保证贯穿整个反应器横界的油和气分布均匀，也可以防止催化剂落入反应器底部的高压区。

2、分离循环系统

分离循环系统主要由循环杯、下导管和循环泵构成。

（1）循环杯

循环杯用于气液分离，它将循环回反应器的气体量降到最低。循环杯包括带有内部螺旋状膜的提升管，沿反应器轴向上升的气液混合物通过提升管时，混合物流速瞬间增大，而当气液混合物从提升管上部流出后，由于流体流经横截面积骤然增大，液体与气体的流速差显著增加，从而有利于气液分离。提升管的下端低于反应器液面高度。气体通过循环杯后升至反应器顶部，部分液体经下导管循环回反应区。液体经循环回路与新鲜原料和氢气混合进入沸腾床反应器，其余的液体从反应器排出作为液体产品。

当反应器中的液面高度低于循环杯顶部时，物流不能经过循环杯、下导管、提升管、泡帽和反应区进行循环，这将导致液体滞留，出现过热点，带来操作问题。使用浮动的循环杯可以避免循环液体量不足、设备和催化剂受损进而造成加氢装置停工和下游设备操作不平稳等问题。

（2）下导管

下导管是反应器内等径拉长的流体返回管线。它上端与循环杯相连，下部与循环泵相连。当反应器内的液面高度低于下导管的顶部开口时，液体无法进入循环泵，沿着下导管的长度方向设置多个孔可以解决这一难题。

（3）循环泵

循环泵使沸腾床反应器的液相物流从循环杯经下导管和分布盘循环。循环泵提供足够的循环量将初始固定的催化剂床层提升和膨胀成沸腾状。循环泵是箱式马达泵，它将离心泵和笼式诱导发动机结合到单个密封装置中。循环流体系统改进后使箱式马达泵适用于输送538℃含有蒸汽和固体的液体。

3、催化剂在线加排系统

沸腾床反应器由于设有在线加排系统，具有广泛的原料适应性，产品性质稳定并能实现长周期运转。催化剂的在线加排系统包括催化剂在线加入系统和催化剂在线排出系统。

（1）催化剂在线加入系统

催化剂在线加入系统通常包括催化剂加料漏斗，催化剂加料罐、连接管线和阀门，其中催化剂加料漏斗经管线与催化剂加料罐相连，加料罐的顶部设有放空阀和氢气加压阀，催化剂加料罐经催化剂加料管线与反应器相连，在催化剂加料管线上装有一个或多个阀门，该管线还与引入惰性气体的管线相通，催化剂加料管线深入到反应器内部，其末端位于反应器液面下方和沸腾状的催化剂床层上方。当需要将新鲜催化剂加入反应器时，首先关闭催化剂加料罐与反应器之间的阀门，然后打开放空阀将加料罐放空，经惰性气体引入管线将氮气引入到催化剂加料罐中，除去残余的氢气，氮气吹扫结束后，关闭放空阀和氮气吹扫阀，采用气体传输或液体传输或靠重力作用将加料漏斗中的新鲜催化剂经管线加入到催化剂加料罐中，然后关闭管线上的阀门，经氢气加压阀向催化剂加料罐充入氢气，使得催化剂容器中的压力基本等于反应器压力。然后打开催化剂加料罐与反应器连接管线的阀门，使得催化剂靠重力进入反应器。

（2）催化剂在线排出系统

催化剂在线排出系统包括待生催化剂排出罐、连接管线及阀门。待生催化剂排出罐经催化剂排出管线与反应器的底部相连，管线上设有一个或多个阀门。伸入待生催化剂容器的管线长度最好为整个容器高度的15%～40%。在待生催化剂排出罐的上部设有能通入高压蒸汽、惰性气体及高压清洁油的阀门，在容器下部设有排放阀。从反应器排放待生催化剂前，先关闭反应器底部和待生催化剂排放罐连接管线上的阀门，然后将待生催化剂上部的高压清洁油阀门打开，将罐中充满与反应液体相溶的液相物质，该液体可为室温或加热到93℃，随后往排出罐中吹入氮气等惰性气体，以除去残余的氧气，再打开高压氢气阀门向罐内充入氢气至反应压力，打开反应器底部与待生催化剂排出罐相连管线上的阀门，待生催化剂由于重力作用从反应器底部进入待生催化剂排出罐，同时容器中等体积的液体向上流入反应器，在此过程中，热的催化剂颗粒与冷液体逆流接触，上升流体冷却催化剂。待生催化剂进入待生催化剂排出罐，

直至其充满并逐渐在管线中累积。当管线和容器都充满催化剂时，经高压清洁油阀门向排出罐中加入高压液体油将待生催化剂管线中的固体催化剂颗粒反冲入沸腾床反应器中，同时清洗管线及管线上的阀门，然后迅速关闭阀门。将待生催化剂排出罐卸压至常压，放空罐中含有的油气。将氮气等惰性气体引入罐中除去剩余的氢气后，打开待生催化剂底部的阀门放出催化剂和携带的液体。应注意待生催化剂与反应器液体之间的密度差应该控制在320．4～961．1kg/m³。

沸腾床加氢反应器由于其独特的结构和操作模式使其具有如下优点：

①操作灵活，可以在高或低转化率下操作；

②可以周期性地从反应器中回收或添加催化剂，在不停工的情况下可以保持催化剂的反应活性；

③通过循环泵使催化剂床层膨胀30%～50%，保证催化剂固体颗粒之间有足够大的自由空间；可以避免由原料夹带或反应过程产生的固体微粒在穿越催化剂床层过程中产生累积、床层堵塞或床层压力降增加的问题；

④使用小粒径催化剂能显著降低扩散的限制，提高了反应速率，也不易发生金属沉积堵塞催化剂孔道的情况；

⑤良好的热转移，使催化剂床层的过热最小化，并能减少焦炭形成；

⑥沸腾床反应器近似于等温操作，在工业化的沸腾床装置中，反应器中任何两点的温度差都低于5℃，可以避免局部过热。

但国外的沸腾床加氢反应器也存在如下缺点：

①沸腾床为全返混反应体系，与固定床的活塞流反应体系相比，转化率低，这可以通过将几个沸腾床反应器串联得到部分改善；

②催化剂易发生磨损，所以要求催化剂必须具有较强的机械稳定性和抗磨损能力；

③由于沸腾床使用较小尺寸的催化剂颗粒，并且反应器中催化剂的固含率较低，使得沸腾床反应器的体积大于固定床和移动床的反应器；

④催化剂消耗量较大；

⑤需要密切监测反应器停滞区域，阻止该区域的扩大，它会导致操作不稳定；

⑥沸腾床反应通常在高温下操作，所以容易形成沉积物；

⑦沸腾床反应器的设计和工业放大要比其他反应器更加困难，因为这涉及多种因素：原料组成、催化剂性质、催化作用和反应动力学、流体力学、催化剂小球与床层之间的热量和质量传递等。 2100433B

加氢反应器由内衬非金属隔热层的冷壁结构发展成为壳体内壁堆焊不锈钢层的热壁结构即热壁加氢反应器。热壁加氢反应器具有有效体积利用率高、施工周期短、生产维护方便、器壁不易过热及安全可靠等特点，因此为世界各国普遍应用。但由于热壁加氢反应器技术含量高，开发难度大，世界上只有少数几个国家能够设计制造。

炔烃加氢反应器alkyne hydrogenation reaction chamber脱除裂解气中少量炔烃，如乙炔、内炔以及内二烯等的催化加氢除炔烃反应器。多数为绝热式固定床反应器，为中空圆筒型设备，由优质碳钢制成(按再生操作需要，要求能耐4ao}左右的高温)。加氢反应器下部装有搁栅，搁栅上填装加氢催化剂，催化剂由顶部加入。

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加氢反应器是石油炼制的关键设备，它在10～25MPa高压、400～480℃高温、临氢及硫化氢等条件下工作，为防止氢脆、氢腐蚀、硫化物腐蚀、Cr－Mo钢回火脆化以及堆焊层的剥离等严重损伤，加氢反应器设计要求高，制造工艺复杂、难度大，对材料、焊接技术以及焊接质量都有很高要求。