2019年加氢反应器及催化裂化反应器介绍.ppt

加氢反应器及催化裂化反应器介绍加氢反应器是各类加氢工艺的关键设备加氢过程分类：1.加氢处理（进料分子基本无变化，使烯烃饱和及脱硫）2.加氢精制（约≤10%原料分子降低分子量）3.加氢裂化（有≥10%原料分子转化为小分子）加氢反应器分类（按照工艺流程及结构分类）1.固定床反应器2.移动床反应器3.流化床反应器固定床反应器使用最为广泛（气液并流下流式）一.加氢反应器固定床反应器：床层内固体催化剂处于静止状态。特点：催化剂不宜磨损，催化剂在不失活情况下可长期使用。主要适于加工固体杂质、油溶性金属含量少的油品移动床反应器：生产过程中催化剂连续或间断移动加入或卸出反应器。主要适于加工有较高金属有机化合物及沥青质的渣油原料，可避免床层堵塞及催化剂失活问题。流化床反应器：原料油及氢气自反应器下部进入通过催化剂床层，使催化剂流化并被流体托起。主要也适于加工有较高金属有机化合物、沥青质及固体杂质的渣油原料。按反应器使用状态分类：使用状态下高温介质是否与器壁接触，分为冷壁结构及热壁结构。冷壁反应器热壁反应器冷热壁结构反应器特征及应用按反应器本体结构分类：分为单层结构、多层结构。单层结构包括钢板卷焊及锻焊结构；多层结构一般有绕带式及热套式。煅焊结构反应器制造过程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温控结构（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。反应器内设置有入口扩散器、积垢篮、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、熱电偶保护管和出口收集器等反应器内构件。1.入口扩散器来自反应器入口的介质首先经过入口扩散器，在上部锥形体整流后，经上下两挡板的两层孔的节流、碰撞后被扩散到整个反应器截面上。其主要作用为：一是将进入的介质扩散到反应器的整个截面上；二是消除气、液介质对顶分配盘的垂直冲击，为分配盘的稳定工作创造条件；三是通过扰动，促使气液两相混合2.分配盘目前，国内加氢反应器所使用的反应物流分配器，按其作用原理大致可分为溢流式和抽吸喷射式两类；反应物流分配盘应不漏液，安装后须进行测漏试验，即在分配盘上充水至100mm高，在5分钟内其液位下降高度，以不大于5mm为合格；分配盘安装的水平度要求，对于喷射式的分配器，包括制造公差和在载荷作用下的绕度在内，其分配盘的水平度应控制为±5mm~±6mm；对于溢流式的分配器，其分配盘安装的水平度要求更严格一些。在催化剂床层上面，采用分配盘是为了均布反应介质，改善其流动状况，实现与催化剂的良好接触，进而达到径向和轴向的均匀分布。反应器顶部分配盘3.积垢篮由不同规格的不锈钢金属网和骨架构成的篮框，置于反应器上部催化剂床层的顶部，可为反应物流提供更大的流通面积，在上部催化剂床层的顶部扑集更多的机械杂质的沉积物，而又不致引起反应器压力降过快地增长；积垢篮框在反应器内截面上呈等边三角形均匀排列，其内是空的（不装填催化剂或瓷球），安装好后要须用不锈钢链将其穿连在一起，并牢固地拴在其上部分配盘地支撑梁上，不锈钢金属链条要有足够地长度裕量（按床层高度下沉5％考虑），以便能适应催化剂床层的下沉。4.催化剂支撑盘催化剂支撑盘由T形大梁、格栅和丝网组成。大梁的两边搭在反应器器壁的凸台上，而格栅则放在大梁和凸台上。格栅上平铺一层粗不锈钢丝网，和一层细不锈钢丝网，上面就可以装填磁球和催化剂了。催化剂支撑大梁和格栅要有足够的高温强度和刚度。即在420℃高温下弯曲变形也很小，且具有一定的抗腐蚀性能。因此，大梁、格栅和丝网的材质均为不锈钢。在设计中应考虑催化剂支撑盘上催化剂和磁球的重量、催化剂支撑盘本身的重量、床层压力降和操作液重等载荷，经过计算得出支撑大梁和格栅的结构尺寸。4.催化剂卸料管固定床反应器每一催化剂床层下部均安装有若干根卸料管，跨过催化剂支撑盘、物料分配盘及冷氢箱，通向下一床层，作为在反应器停工卸除催化剂的卸剂通道。5.冷氢管烃类加氢反应属于放热反应，对多床层的加氢反应器来说，油气和氢气在上一床层反应后温度将升高，为了下一床层继续有效反应的需要，必须在两床层间引入冷氢气来控制温度。将冷氢气引入反应器内部并加以散布的管子被称为冷氢管。冷氢加入系统的作用和要求是：均匀、稳定地供给足够的冷氢量；必须使冷氢与热反应物充分混合，在进入下一床层时有一均匀的温度和物料分布。冷氢管按形式分直插式、树枝状形式和环形结构。对于直径较小的反应器，采用结构简单便于安装的直插式结构即可。对于直径较大的反应器，直插式冷氢管打入的冷氢与上层反应后的油气混合效果就不好，直接影响了冷氢箱的再混合效果。这时就应采用树枝状或环形结构。6.冷氢箱冷氢箱实为混合箱和预分配盘的组合体。它是加氢反应器内的热反应物与冷氢气进行混合及热量交换的场所。其作用是将上层流下来的反应产物与冷氢管注入的冷氢在箱内进行充分混合，以吸收反应热，降低反应物温度，满足下一催化剂床层的反应要求，避免反应器超温。冷氢箱的第一层为挡板盘，挡板上开有节流孔。由冷氢管出来的冷氢与上一床层反应后的油气在挡板盘上先预混合，然后由节流孔进入冷氢箱。进入冷氢箱的冷氢气和上层下来的热油气经过反复折流混合，就流向冷氢箱的第二层——筛板盘，筛板盘，在筛板盘上再次折流强化混合效果，然后在作分配。筛板盘下有时还有一层泡帽分配盘对预分配后的油气再作最终的分配。冷氢管催化剂卸料管冷氢箱上挡板盘冷氢箱下挡板盘冷氢箱筛板盘7.出口收集器出口收集器是个帽状部件，顶部有圆孔，侧壁有长孔，覆盖不锈钢网。其作用主要是阻止反应器底部的瓷球从出口漏出，并导出流体。反应器底部的出口收集器，用于支撑下部的催化剂床层，减小床层的压降和改善反应物料的分配。出口收集器与下端封头接触的下沿开有数个缺口，供停工时排液用。8.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控。加氢反应器常见损伤与对策1.高温氢腐蚀高温氢腐蚀是在高温高压条件下扩散侵入钢中的氢与不稳定的碳化物发生化学反应，生成甲烷气泡(它包含甲烷的成核过程和成长)，即FeC+2H2一CH4+3Fe，并在晶间空穴和非金属夹杂部位聚集，引起钢的强度、延性和韧性下降与劣化，同时发生晶间断裂。由于这种脆化现象是发生化学反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。高温氢腐蚀有两种形式：一是表面脱碳；二是内部脱碳。表面脱碳不产生裂纹，在这点上与钢材暴露在空气、氧气或二氧化碳等一些气体中所产生的脱碳相似，表面脱碳的影响—般很轻，其钢材的强度和硬度局部有所下降而延性提高。内部脱碳是由于氢扩散侵入到钢中发生反应生成了甲烷，而甲烷又不能扩散出钢外，就聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成了很高的局部应力，使钢产生龟裂、裂纹或鼓包，其力学性能发生显著的劣化。影响高温氢腐蚀的主要因素1)温度、压力和暴露时间的影响温度和压力对氢腐蚀的影响很大，温度越高或者压力越大发生高温腐蚀的起始时间就越早。2)合金元素和杂质元素的影响在钢中凡是添加能形成很稳定碳化物的元素(如铬、钼、钒、钛、钨等)，就可使碳的活性降低，从而提高钢材抗高温氢腐蚀的能力。在合金元素对抗氢腐蚀性能的影响中，元素的复合添加和各自添加的效果不同。例如铬、钼的复合添加比两个儿素单独添加时可使抗氢腐蚀性能进一步提高。在加氢高压设备中广泛地使用着铬-钼钢系，其原因之一也在于此。3)热处理的影响钢的抗氢腐蚀性能，与钢的显微组织也有密切关系。对于淬火状态，只需经很短时间加热就出现了氢腐蚀。但是一施行回火，且回火温度越高，由于可形成稳定的碳化物，抗氢腐蚀性能就得到改善。另外，对于在氢环境下使用的铬-钼钢设备，施行了焊后热处理同样具有可提高抗氢腐蚀能力的效果。4)应力的影响在高温氢腐蚀中，应力的存在肯定会产生不利的影响。在高温氢气中蠕变强度会下降。特别是由于二次应力(如热应力或由冷作加工所引起的应力)的存在会加速高温氢腐蚀。高温氢腐蚀的防止措施高温高压氢环境下高温氢腐蚀的防止措施主要是选用耐高温氢腐蚀的材料，工程设计上都是按照原称为“纳尔逊(Nelson)曲线”来选择的。尽量减少钢材中对高温氢腐蚀不利影响的杂质元素（Sn、Sb）。制造及在役中返修补焊后必须进行焊后热处理。操作中严防设备超温。控制外加应力水平。2.氢脆所谓氢脆，就是由于氢残留在钢中所引起的脆化现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降。这是由于侵人钢中的原子氢，使结晶的原子结合力变弱，或者作为分子状在晶界或夹杂物周边上析出的结果。但是，在一定条件下，若能使氢较彻底地释放出来，钢材的力学性能仍可得到恢复。这一特性与前面介绍的氢腐蚀截然不同，所以氢脆是可逆的，也称作一次脆化现象。氢脆的敏感性一般是随钢材的强度的提高而增加，钢的显微组织对氢脆也有影响。钢材氢脆化的程度还与钢中的氢含量密切相关。强度越高，只要吸收少量的氢，就可引起很严重的脆化。对于操作在高温高压氢环境下的设备，在操作状态下，器壁中会吸收一定量的氢。在停工的过程中，由于冷却速度太快，钢中的氢来不及扩散出来，造成过饱和氢残留在器壁内，就可能在温度低于150℃时引起亚临界裂纹扩展，对设备的安全使用带来威胁。在高温高压临氢设备中，特别是内表面堆焊有奥氏体不锈钢堆焊层的加氧反应器曾发生过一些氢脆损伤的实例。其部位多发生在反应器支持圈角焊缝上以及堆焊奥氏体小锈钢的梯形槽法兰密封面的槽底拐角处。防止氢脆的若干对策要防止氢脆损伤发生，主要应从结构设计上、制造过程中和生产操作方面采取如下措施：(1)尽量减少应变幅度，这对于改善使用寿命很有帮助。(2)尽量保持TP347堆焊金属或焊接金属有较高的延性。为此，一是要控制TP347中δ—铁素体含量，以避免含量过多时在焊后最终热处理过程转变成较多的相而产生脆性；二是对于前述那些易发生氢脆的部位，应尽量省略TP347堆焊金属或焊接金属的焊后最终热处理，以提高其延性。(3)装置停工时冷却速度不应过快，且停工过程中应有使钢中吸藏的氢能尽量释放出去的工艺过程，以减少器壁中的残留氢含量。(4)尽量避免非计划紧急停工(紧急放空)。3.高温硫化氢的腐蚀在加氢装置中，一般都会有硫化氢腐蚀介质存在。对于以碳钢或低铬钢制的设备，在操作温度高于204℃，其腐蚀速度将随着温度的升高而增加。特别是当硫化氢和氢共存的条件下，它比硫化氢单独存在时产生的腐蚀还要更为剧烈和严重。氢在这种腐蚀过程中起着催化剂的作用，加速了腐蚀的进展。对于在硫化氢和氢共存条件下的材料选择，一是参考相似条件的经验数据来预计材料的腐蚀率后确定；二是在无经验数据依据时，可根据柯珀(Couper)曲线来估算材料的腐蚀率。该曲线是美国腐蚀工程师学会的一个专门小组通过大量的试验和生产数据经电子计算机反复回归处理、关联后整理出来的。据验证按此曲线估算出来的腐蚀率与工业装置的经验比较接近。对于不同铬含量(O％-9％)的铬钢的腐蚀率，先按给定的硫化氢浓度和温度从图上求出碳钢的腐蚀率，然后再乘以相应铬含量的系数Fcr。加以修正后的值即是。4.连多硫酸引起的应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂是某一金属(钢材)在拉应力和特定的腐蚀介质共同作用下所发生的脆性开裂现象。奥氏体不锈钢对于硫化物应力腐蚀开裂是比较敏感的。连多硫酸(H2Sx06，x=3-6)引起的应力腐蚀开裂也属于硫化物应力腐蚀开裂，一般为晶间裂纹。这种开裂与在高温运转时由于碳化铬析出在晶界上，使晶界附近的铬浓度减少，形成贫铬区有关。连多硫酸的形成是由于设备在含有高温硫化氢的气氛下操作时生成了硫化亚铁，而当设备停止运转或停工检修时，它与出现的水分和进入设备内的空气中的氧发生反应的结果。即：3FeS+502----Fe2O3·FeO+3SO2SO2+H20—---H2SO3H2S03+1／202----H2S04FeS十H2SO3——mH2SxO6十nFe’FeS+H2S04一---FeSO4+H2SH2SO3十H2S-----mH2Sx06十nSFeS十H2Sx06一--FeSx06+H2S防止对策(