反应器基础知识 第一讲

锻焊结构 ： 反应器的筒节经过由锻坯 墩粗、拔长、墩粗、冲孔的锻 造加工过程，筒节上没有纵向 焊缝，这种结构称为锻焊结构 如右图。 这种结构可适用于高温高 压场合，对提高反应器耐周向 应力的可靠性有利，焊后检测 较为容易，一般适用于壁厚大 于150mm的场合，最大厚度 480mm。
板焊结构 ： 反应器的筒节由钢板卷 曲后焊接而成，这种结构称 为板焊结构，如右图。 这种结构也适用于高温 高压场合，但筒节上有纵、 环向焊缝，焊缝多，工作量 大，钢板内特性难以保证， 不如锻件筒节。最大厚度 300mm。
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。
加氢反应器结构上的改进
（1）催化剂支承结构
（2）法兰密封结构
（3）反应器支承结构
（4）反应器裙座连接结构
（5）反应器外部附件 连接结构 保温支撑圈多采用 现在流行的不直接 焊于反应器外部而 是披挂其上的鼠笼 式结构。当附件非 与反应器壁相焊不 可时，应尽量使其 焊透。
制造加氢反应器的常用材料 制造加氢反应器的常用材料一般为Cr-Mo钢系， 因为这些钢材既具有优良的抗高温氢腐蚀性能， 又有良好的短时和长时高温力学性能。根据不同 的温度和压力，一般都选用 1Cr-0.5Mo； 1.25Cr-0.5Mo； 2.25Cr-1Mo； 2.25Cr-1Mo 0.25V； 3Cr-1Mo 0.25V；
要防止回火脆性破坏现象的出现，就要从 以下几点考虑：
1、尽量减少钢中P、Sb、Sn、As等杂质元素的含量； 2、采用真空碳脱氧（VCD）的冶炼工艺，将Si的含量降低； 3、对回火脆化敏感性系数（J系数和X系数）推荐按下面的值控 制： J系数 =（Si + Mn）（P + Sn）×104 ≤100% (仅用于母材 X系数 =（10P + 5Sb + 4Sn + As）×10-2 ≤ 15×10-6 ； 4、控制脆化处理后的韧性指标； 5、制造中应选择合适的热处理工艺，使钢材既能满足规定的力 学要求，又具有优越的抗回火脆性性能这一综合指标； 6、采用热态的开停工方案，开工时先升温、后升压，停工时先 降压、后降温； 7、采用合适的开停工升降温速度，建议温度小于150℃时，升 温速度不超过25℃/h为宜。
4）铬-钼钢回火脆性破坏 2.25Cr-1Mo钢在325～575℃温度范围内长 时间保持或从此温度范围缓慢地冷却时，其材料 的缺口韧性就引起劣化损伤的现象。它产生的原 因是由于钢中的微量杂质元素和某些合金元素向 原奥氏体晶界偏析，使晶界凝集力下降所致。 产生回火脆化的钢材对于抗拉伸强度和延伸 率来说，几乎没有影响。只是在抗冲击性能试验 时有较大变化。材料一旦发生回火脆化，其韧性 转变温度就向高温侧迁移。因此在低温区，若有 较大附加应力存在时，就有发生破坏的危险。
防治措施： 1、添加钒的钢由于大大改变了氢在钢中的特性和 钢中的碳化物的组成、形态、分布及与堆焊层间 的相关性能，使堆焊层具有非常好的抗剥离性能； 2、堆焊时应设法避免生成粗大晶粒； 3、选择合适的焊后热处理条件，在能够满足反应 器其它各种性能条件的前提下，尽量优化其参数， 使熔合线附近和奥氏体晶界上析出较少的碳化铬； 4、在正常停工时宜采取氢尽可能释放出去的的停 工条件，以减少残留氢量； 5、在操作中必须严格遵守操作规程，尽量避免非 计划的紧急停车。
5）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离现象 高温高压下，氢会侵入到器壁中。在停工过 程中又可能从器壁中逸出，但由于相同温度下氢 在母材和堆焊层中的溶解度和扩散系数都不同， 因此，当反应器由正常运转转入停工时，将会造 成母材与堆焊层中是固溶氢过饱和度存在明显差 异，使过渡区附近所吸收的氢将从母材侧向堆焊 层侧扩散移动，导致过渡区界面上聚集大量的氢。 同时又因两种材质的膨胀系数不同，使界面 上存在较大的残余应力。这样在某种晶界形状和 晶界强度的作用下，就可能在界面上发生剥离。 它的路径是沿着母材和堆焊层的界面扩展的，并 呈剥离状态，故称为剥离现象。
气液分配盘 气液分配盘的作用是使进入 反应器的物料均匀分散，与催化 剂颗粒有效的接触，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 大类，或者是两者机理兼有的混 合型 。
积垢篮 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 沉积物而不致于引起床层压降的 过分增加 。
3）开停工时必须严格执行操作手册的要求， 防止形成较大的热应力，推荐开工和停工 时的升温和降温速度分别不超过25～ 30℃/h和25℃/h； 4）要尽量避免非计划停工； 5）当反应器安装或停工检验而打开顶部人 孔时，一定要设置合适的防护措施，防止 雨水飘入器内； 6）采取有关措施防止器内有奥氏体不锈钢 部位可能产生连多硫酸应力腐蚀开裂。
反应器的内构件
反应器的内件 通常，固定床反应器内一 般设有以下构件： 1）入口扩散器 2）气液分配盘 3）积垢篮 4）冷氢箱 5）热电偶 6）出口收集器
入口扩散器 入口扩散器（或称预分配器） 的作用是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，对于长圆孔 侧隙扩散器还可以起到积存进料 中的一些锈垢的作用。
2）氢脆 氢脆是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。这是由于侵入钢中的原子氢 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，对于已经产生氢脆现象的钢材，当给 予特定的条件时，氢仍可从钢中释放出来， 使钢的性能得到恢复，所以氢脆是可逆的， 也称为一次脆化现象。
反应器的选材
加氢反应器选材的基本要求
1）应符合适用范围所规定的化学成分、常温和高 温力学性能以及设计提出的附加要求； 2）应具有良好的内质特性（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； 3）应具有能在苛刻环境下长期使用的耐环境脆化 特性性能； 4）经济上要合理。 主要依据： （1）应满足抗高温氢腐蚀的要求； （2）应满足抗硫化氢和氢共存时的腐蚀要求（3） 应满足抗回火脆性性能的要求。
1、固定床反应器：
反应器内的固体催化剂 处于静止状态，优点是 催化剂不易磨损，可以 长期使用
2、移动床反应器 催化剂可以连续或间断的加入或卸出。
3、流化床 反应器
原料由下部进入， 催化剂床层被流 体托起，
4.冷壁结构反应器
热壁反应器内流体与反应器壁接触，器壁 温度较高（设计温度比最高使用温度高 10—20℃），反应器的材质应选耐高温氢 腐蚀的材料，若有H2S存在时，还要考虑 设置不锈钢堆焊层，以抵抗H2S腐蚀，反 应器的有效容积利用率高，生产周期短， 生产维护方便，目前这种反应器使用较多。
此脆性具有不可逆的性质，也称永久脆化 现象。 高温高压氢引起的钢的损伤要经过一 段时间，在此段时间内，材料的力学性能 没有明显的变化，而经过这段时间后，钢 材的强度、延性和韧性就会遭到严重损伤。 发生高温氢腐蚀前的这段时间称为 “孕育期”（或潜伏期）。
要防止高温氢腐蚀现象的出现，就要从氢腐蚀的材料； 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）的含量； 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、控制外加应力的水平。
4.热壁结构反应器 冷壁反应器器壁内表面有 一层非金属隔热衬里，流 体不与反应器壁接触，器 壁温度较低（一般在 150～200℃），反应器 的材质可以选耐高温氢腐 蚀档次较低的材料，设备 制造成本较低。但这种反 应器有效容积利用率较低， 而且制造周期长，维护不 方便，目前已极少使用。
加氢反应器的常用形式： 目前，加氢裂化反应器一般采用 固定床、热壁、单层锻焊结构。 加氢反应器的本体结构： 加氢反应器的本体结构，根据不同年 代的技术水平与要求，曾使用了不同形 式的本体结构，包括：锻焊结构、板焊 结构、多层结构等 。
热壁加氢反应器的 主要损伤形式
热壁加氢反应器由于器壁直接与高温、 高压含氢或氢与硫化氢介质接触，操作条 件相当苛刻，可能引起下列损伤： 1）高温氢腐蚀 2）氢脆 3）硫化物应力腐蚀开裂 4）铬-钼钢回火脆性破坏 5）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离现象
1）高温氢腐蚀 一是表面脱碳。表面产生裂纹，一般影响 很轻； 二是内部脱碳与开裂。它是由于氢侵入扩 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 Fe3C + 2H2 → CH4 + 3Fe 。 而甲烷不能逸出钢外，就聚集在晶界空 穴和夹杂物附近，形成很高的局部应力， 导致钢材产生龟裂、裂纹和鼓泡，并使强 度、延性和韧性显著下降。
要防止氢脆现象的出现，就要从以下几点 考虑： 1、尽量减少应变幅度，这对于改善使用寿 命用很大帮助； 2、尽量保持TP347堆焊金属或焊接金属有 较高的延展性； 3、装置停工时冷却速度不应过快，且停工 过程中宜有一段能使钢中吸藏的氢能尽可 能释放出去的工艺过程，以减少金属中的 残留氢含量； 4、尽可能避免非计划停工。
加钒（V）改进型Cr-Mo钢的优点
1、强度高 2、抗氢高温氢腐蚀性能明显提高 3、抗氢脆性能明显改善 4、抗回火脆化性能更好 5、抗轻致剥离裂纹能力优越
加氢反应器在使用中的保护措施 1）对采用回火脆性敏感性较强的钢材制造 的反应器，在初次开工运行后的重新开停 工时，应采用热态开停车方案。既开工时 先升温再升压，停工时先降压再降温。 2）在停工过程中宜有一段300～350℃的保 持时间，让操作时所吸藏的氢尽可能的散 逸出器壁外，以最大限度的减少器壁中的 残留氢含量；
由于设备在含有高硫化氢的气氛下操作时生成了 硫化铁，在装置停工冷却过程中和打开设备暴露 于大气中时，与出现的水分和进入设备内部空气 中的氧发生反应所生成。 3FeS + 5O2 → Fe2O3· FeO + 3SO2 ； SO2 + H2O → H2SO3 ； H2SO3 + 0.5O2 → H2SO4 ； FeS + H2SO3 → mH2SxO6 + nFe 2+ ； FeS + H2SO4 → FeSO4 + H2S ； H2SO3 + H2S → mH2SxO6 + nS ； FeS + H2SxO6 → FeSxO6 + H2S
3）连多硫酸应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂是特定（敏感）金属在拉应 力和特定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 力腐蚀开裂比较敏感。 连多硫酸（H2SxO6,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。这种开裂与在高温条件下 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。
冷氢箱 冷氢箱的作用是用以控制加 氢放热反应引起的催化剂床层温 升，为上床层来的高温物流在此 与急冷氢进行热交换。它的结构 由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组 成。
冷氢管
冷氢管的布置
热电偶 为监视加氢放热反应引起的 床层温度升高及床层截面温度分 布状况，对操作温度进行监控。 热电偶的安装有从筒体上的径向 插入和从反应器封头上垂直方向 插入的方式 。
防治措施： 1、用合适的材料是有效的方法之一； 2、要尽量消除或减轻由于冷加工和焊接引 起的残余应力，并希望能够加工成不形成 应力集中或尽可能小的结构； 3、使用上应采取缓和环境条件的措施，如 抑制连多硫酸生成，采取用干燥氮气吹扫， 除去空气和防止水蒸汽析出。或碱洗方法， 中和可能生成的连多硫酸，值得注意的是 碱洗后不能再用水冲洗。
反应器基础知识
反应器的定义： 在其内部完成化学反应的设备。 反应器的分类： 1）按工艺过程的特点分类： 固定床反应器、移动床反应器、流化床 反应器； 2）按反应器的使用状态分类： 冷壁结构反应器、热壁结构反应器；
3）按反应器本体结构特征分类： 单层结构反应器、多层结构反应器， 单层结构中又包括： 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有绕带式、 热套式等。