加氢反应器的应用与设计
李浩波
（宁波市化工研究设计院有限公司，宁波 315040）
摘要:本文结合实例阐述了煤焦油加氢项目中加氢反应器在高温、高压、临氢工况下的设计参数、结构设计等方面的内容。

关键词：新型抗氢钢；临氢设备；选材
中图分类号：TE966 文献标识码：A
1前言
在炼油化工行业中，为提高出油率和油的品位，60年代就开始采用“加氢”技术。

目前在我国炼油行业广泛应用的“加氢”技术设备，主要为加氢精制及裂化装置。

加氢反应器是用于高温、高压，并在含有氢或氢加硫化氢介质条件下工作的重要炼油工艺设备，其操作条件极为苛刻，一旦发生事故将造成严重损失；另外其设备的造价比较昂贵，制造周期又长，所以，从设备的设计、制造及使用都必须予以极大地重视。

反应器按使用状态分为冷壁结构反应器和热壁结构反应器。

在60年代及70年代初期，由于当时的冶金及制造工业水平所限（厚板的制造工艺技术、力学性能指标的保证、不锈钢堆焊技术等），为保证安全操作，从设计上多选择冷壁结构形式，即在反应器壳体内壁装焊保温钉增设一定厚度的隔热内衬层，以保证壳体的壁温一般不超过300o C，故称为冷壁加氢反应器。

热壁加氢反应器与冷壁加氢反应器的不同在于，壳体设计取消了内壁表面的隔热内衬层。

这样，壳体将直接与反应器内部介质接触，从而使壳体在工作条件下的壁温升高，目前一般设计壁温已达450 o C左右，因此对壳体材料在化学成分及力学性能，尤其是高温力学性能方面有着更高、更严格的要求。

2反应器的设计参数
加氢精制反应器（R-0101）设计参数：设计压力18MPa，设计温度450o C；介质为油气、氢气、硫化氢，其中硫化氢含量为0.1%；氢分压15MPa；反应器内径1800mm，切线长度17400mm。

相对而言，与目前国内正运行的反应器相比，这两台反应器的压力较大，温度较高。

3反应器材料的选择
根据反应器的设计温度和氢分压，按照API 抗氢曲线（临氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极限）和SH/T 3096-2012 《高硫原油加工装置设备和管道设计选材导则》，反应器壳体基层可选用2.25Cr-1Mo-0.25V钢。

热壁加氢反应器的壳体材料在使用中经受不了反应过程中高温、高压条件下氢和硫化氢的腐蚀，为此设计采用在其内壁堆焊耐腐蚀不锈钢层的措施。

目前具体应用于产品的有单层堆焊及双层堆焊两种结构。

单层堆焊为只堆一层T.P.347L，双层堆焊是先堆焊一层T.P.309L成分的不锈钢作为过渡层，再堆焊一层T.P.347成分的不锈钢。

采用单层或双层堆焊结构，其关键是堆焊的工艺技术水平能否保证设计技术条件对不锈钢堆焊层的性能指标要求。

本设备采用双层堆焊层：厚度为3mm的E309L和厚度为3.5mm的E347。

4反应器结构特点
加氢过程由于存在有气、液、固三相的放热反应，欲使反应进料（气、液两相）与催化剂（固
相）充分、均匀、有效地接触，加氢反应器设计有多个催化剂床层，在每个床层的顶部都设置有分配盘，并在两个床层之间设有控制结构（冷氢箱），以确保加氢装置的安全平稳生产和延长催化剂的使用寿命。

反应器内件设计性能的优劣将与催化剂性能
一道体现出所采用加氢工艺的先进性。

对于固定床气液并流下流式反应器的内件，
通常都设置有入口扩散器、积垢蓝、卸料管、催化剂支撑盘、出口捕集器、气液反应物流分配盘、冷氢箱、热电偶保护管和出口收集器等反应器内构件。

如图1所示。

图1 内件图
4.1 焊接结构
反应器所有承压焊缝全部采用全焊透窄间隙结构，所有焊缝均经过100%射线和100%超声波检测，并采用嵌入式接管。

4.2 冷氢管结构
冷氢管开口结构是反应器的典型结构之一，
如图2所示，在操作期间为控制反应器内床层温度，需间断地向内注入急冷氢。

由于冷氢的温度大大低于器壁的温度，因此采用一般的接管，会使接管与器壁的连接处产生很大的温差应力，还会带来热疲劳问题。

为减少此处温度梯度，在冷氢管和开口接管之间加一个隔热套管。

通过数据分析和实际考验，此结构获得了令人满意的效果。

加氢反应器的应用与设计 2016年第1期
图2 冷氢管结构
4.3 催化剂支承结构 一般由过去的图(a)改进成图(b)的结构。

图3 催化剂支承结构
4.4 裙座结构
考虑到两台反应器质量大及锻焊结构的特殊性，在裙座与封头的连接处采用整体锻件，并设置隔热箱，如图4
所示。

隔热箱的主要作用也是解决温差应力问题。

其原理是：反应器内的高温
热量通过平缓的对流形式传到外侧的裙座壁上，使裙座壁的温差幅度有所缓解，这样使裙座沿竖直方向单位长度梯度大大降低，避免了过大的温差应力。

图
4 裙座结构
4.5 法兰密封结构
反应器上的接管法兰多采用环形八角垫金属
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
宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2016年第1期
过裂纹，而且判定为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标准通常规定的圆角R 适当加大；原因之二是
TP347堆焊层的延性较低。

为
此相应的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。

具体的结构改进如下图。

图
5 法兰密封结构
4.6 热电偶结构
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。

在径向水平插入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。

图6 热电偶结构
5 结语
国内于20世纪90年代初进行各种开发工作。

2002年2.25Cr -1M-0.25V 钢加氢反应器研制成功。

热壁加氢反应器由过去依靠进口的局面到自主开发实现国产化。

参考文献
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