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流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。

②径向绝热式固定床反应器。

流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。

径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降较小。

但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。

以上两种形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。

③列管式固定床反应器由多根反应管并联构成。

管内或管间置催化剂，反应物流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25～50mm之间，管数可多达上万根。

列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。

此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。

流体沿轴流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。

3）固定床反应器的优缺点

优点是：

①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。

②催化剂机械损耗小。

③结构简单。

缺点是：

①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。

②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。

2、流化床反应器

一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。

在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。

目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。

2）分类 

按流化床反应器的应用可分为两类：

一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；

另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。

　　按流化床反应器的结构分：

①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。

例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须不断予以分离后进行再生。

②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。

3）特性 

与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：

①可以实现固体物料的连续输入和输出；

②流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应。

会对反应器的效率和反应的选择性带来一定影响。

气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。

因此，通常不宜用于要求单程转化率很高的反应。

固体颗粒的磨损和气流中的粉尘夹带，使流化床的应用受到一定限制。

3、移动床反应器

1）定义

一种用以实现气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。

在反应器顶部连续加入颗粒状或块状固体反应物或催化剂，随着反应的进行，固体物料逐渐下移，最后自底部连续卸出。

流体则自下而上（或自上而下）通过固体床层，以进行反应。

由于固体颗粒之间基本上没有相对运动，但却有固体颗粒层的下移运动，因此，也可将其看成是一种移动的固定床反应器。

2）应用

钢铁工业和城市煤气工业发展之初，移动床反应器就曾被用于煤的气化。

1934年研制成功的移动床加压气化器（鲁奇炉），至今仍是规模最大的煤气化装置，其单台日生产能力已达到1Mm以上。

石油催化裂化发展初期，曾采用移动床反应器，但现已被流化床反应器和提升管反应器所取代。

目前，应用移动床反应器的重要化工生产过程有连续重整、二甲苯异构化等催化反应过程和连续法离子交换水处理过程。

3）特性

与固定床反应器及流化床反应器相比，移动床反应器的主要优点是：

固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，返混较小（与固定床反应器相近），对固体物料性状以中等速度（以小时计）变化的反应过程也能适用。

与此相比，固定床反应器和流化床反应器分别仅适用于固体物料性状变化很慢（以月计）和很快（以分、秒计）的反应过程。

移动床反应器的缺点是控制固体颗粒的均匀下移比较困难。

工业生产中有时采用模拟移动床以避免上述缺点（见固定床传质设备）。

4冷壁结构反应器与热壁结构反应器；

冷壁反应器，顾名思义就是使用过程中，外壁是冷的，内部要隔热衬里。

流体不与反应器壁接触，器壁温度较低（一般在150—200℃），因此，冷壁反应器对钢材材质要求不高，但衬里要求高，衬里施工难度大，周期长，反应器有效容积率小，检修检查困难。

运行过程中，一旦衬里出现热点，运行风险极高、现在基本淘汰。

热壁反应器，就是运行时器壁是高温的，外壁再保温，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℃），因此，热壁反应器器壁直接接触反应物，对钢材材质要求高，但由于没有衬里，反应器有效容积大，用的钢材少，且运行稳定。

现在加氢反应器用的大多是热壁反应器。

四、加氢反应器的内件

1、反应器包括以下内件：

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，如右图所示。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

五、加氢反应器的主要损伤形式及保护措施

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现象等损伤。

1、高温氢腐蚀及防止

在高温高压氢环境下工作的设备，所发生的高温器腐蚀分为两种形式：

一是表面脱碳。

表面脱碳部产生裂纹，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种与固溶碳或不稳定的碳化物发生化学反应，生成甲烷，即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。

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，就要从以下几点考虑：

1）可根据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）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。

2、氢脆现象及防止

答：

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。

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。

3、连多硫酸应力腐蚀开裂及预防

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。

所出现的连多硫酸使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。

即：

3FeS+5O2→Fe2O3·

FeO+3SO2；

SO2+H2O→H2SO3

H2SO3+0.5O2→H2SO4；

FeS+H2SO3→mH2SxO6+nFe2+

FeS+H2SO4→FeSO4+H2S；

H2SO3+H2S→mH2SxO6+nS

FeS+H2SxO6→FeSxO6+H2S

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。

4、铬-钼钢回火脆性破坏及预防

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。

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。

5、奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离及防治

操作于高温高压氢介质环境下的反应器，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（母材溶解度小，扩散系数大，而堆焊层溶解度大，扩散系数小），且溶解度与扩散系数都是温度的函数，尤其以母材与温度的依赖性大，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，鼓称为剥离现象。

反凡是能够采取能够界面上的氢浓度，减轻残余应力和使熔合线附近的堆焊金属具有较低氢脆敏感性的措施对于防止堆焊层的剥离都是有效的。

比如：

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）近年在制造中认为，采用较大的电流高焊速的堆焊条件能提高抗玻璃的性能，总之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时氢能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。

6、加氢反应器在使用中的保护措施

为防止加氢反应器有可能发生的各种脆性损伤，在使用、开停工或停工卸剂进行在役检验时，采取以下几点措施是很有效的：

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；

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。

六、加氢处理的主要反应

1、烯烃加氢饱和反应

RCH=CHR’+H2→RCH2-CH2R’

烯烃加氢饱和可以提高油品的安定性。

烯烃都很容易加氢饱和，但烯烃加氢饱和反应是放热反应，当不饱和烃含量高的油品进行加氢时，要注意反应器床层温度的控制。

原料中如含有较多的二烯烃则容易在高温下聚合生焦堵塞设备。

2、芳烃加氢饱和反应

芳烃加氢反应主要是指稠环芳烃加氢反应，因为单环芳烃是较难发生加氢饱和反应的。

3、加氢脱硫反应

硫化物的存在影响了油品的性质，给油品的加工和使用带来了许多危害：

加剧机械设备的腐蚀，给炼油过程增加困难，降低油品质量，燃料燃烧造成环境污染等。

石油馏分中有代表性的含硫化合物主要有硫醇、硫醚、二硫化物和噻吩等。

（1）硫醇

硫醇加氢反应时，发生C－S键断裂：

H2+RSH→RH+H2S

（2）硫醚

硫醚加氢反应时，首先生成硫醇，再进一步脱硫：

RSR′+H2→R′SH+RH

R′SH+H2→R′H+H2S

（3）二硫化物

二硫化物加氢反应时，首先发生S—S键断裂，生成硫醇，再进一步发生C－S键断裂，脱去硫化氢。

在氢气不足的条件下，硫醇也可以转化成硫醚。

（4）噻吩

噻吩加氢反应时，首先是杂环加氢饱和，然后是C－S键开环断裂生成硫醇，最后生成丁烷。

含硫化合物的加氢速度与其分子结构和分子量大小有关，不同类型的含硫化合物的加氢反应速度按下列顺序增加：

噻吩＜氢化噻吩≈硫醚＜二硫化物＜硫醇

环状化合物稳定性比链状化合物高，而且当分子的环数越多其稳定性也越强，加氢脱硫反应也越难。

2．加氢脱氮反应

含氮化合物对产品质量的稳定性有较大危害，并且在燃烧时会排放出NOx污染环境。

石油馏分中的含氮化合物主要是杂环化合物，非杂环化合物较少。

杂环氮化物又可分为非碱性杂环化合物（如吡咯）和碱性杂环化合物（如吡啶）。

（1）非杂环化合物

非杂环氮化物加氢反应时脱氮比较容易。

如脂族胺类（RNH２）

（2）非碱性杂环氮化物（如吡咯）

吡咯加氢脱氮包括五元环加氢、四氢吡咯中的C－N键断裂以及正丁胺的脱氮等步骤。

（3）碱性杂环氮化物（如吡啶）

吡啶加氢脱氮也经历六元环加氢饱和、开环和脱氮等步骤。

5、加氢脱氧反应

在加氢反应过程中，含氧化合物较容易加氢转化为相应的水和烃。

石油馏分中含氧化合物的含量很少，主要类型为环烷酸，在二次加工过程中也会产生酚类物质。

（1）环烷酸

环烷酸在加氢条件下进行脱羧基或羧基转化为甲基的反应。

（2）苯酚

苯酚中的C－O键较稳定，要在较苛刻的条件下才能反应。

原料中的氮化合物有使催化剂加速生焦的倾向。

在几种非烃中，含氮化合物的加氢反应最难，当分子结构相似时，几种非烃的加氢稳定性依次为：

含氮化合物＞含氧化合物＞含硫化合物

6．加氢脱金属反应

石油中的金属组分可以分成两大类:

一类是水溶性无机盐,主要是鈉、钾、镁、钙的化合物和硫酸盐，它们存在于原油乳化液的水相中，这类金属原则上可以在脱盐过程中脱除；

另一类金属以油溶性有机金属化合物或其复合物、脂肪酸盐或胶体悬浮物形态存在于油中。

例如钒、镍、铜以及部分铁。

在石油馏分加氢精制过程中，金属有机化合物发生氢解，以金属硫化物的形式沉积在催化剂上，造成孔堵塞，导致催化剂活性位破坏而失活。

因此在加氢精制催化剂上部装填脱金属催化剂，脱除原料中金属组分。

七、影响加氢反应的几个因素

1、原料性质对反应的影响

原料油偏轻：

反应深度大，产品中轻组分多

原料中焦蜡组分多：

不饱和烯烃含量多，导致温升较大

原料中硫含量高：

导致催化剂温升明显升高，可能导致反应器超温

原料中氮含量高；

引起脱氮率下降，对加氢脱氮反应产生抑制作用，氮化物吸附催化剂金属活性中心，影响催化剂活性，使其结焦

残碳含量高：

影响产品质量，影响催化剂活性

沥青质：

要求在500ppm以下，温度较高时迅速结焦，穿透性强导致中下部床温上升

金属含量：

铁在保护剂表面结钙，影响床层压降；

镍、钒引起催化剂中毒；

钠、钙熔点低堵塞催化剂孔道

2、反应温度

1）影响

加氢脱硫是一个高放热反应，从动力学上讲，即从化学平衡的角度，高温不利于反应彻底进行，但从热力学上，即加快反应速度来讲，提高反应温度会加快加氢反应的反应速度，提高脱硫率和脱氮率，烯烃饱和度也会有所提高。

过高的反应温度将降低催化剂对芳烃的加氢饱和能力和脱氮能力，使芳烃的加氢饱和更加困难，同时将使稠环化合物缩合结焦，生成焦炭，造成催化剂失活，缩短催化剂的使用寿命。

温度过高对催化剂寿命及设备都有不利影响，同时反应温度过高，加速二次反应，使气体产量增加，产品收率降低

2）控制方法：

调节加热炉出口温度；

调节冷氢注入量：

调节E-3101的副线

3）调节原则：

先提量后提温，先降量后降温

3、反应压力

1）反应压力的影响

提高反应压力，可促使加氢反应的进行，烯烃和芳烃的加氢速度加快，脱硫、脱氮率提高，对胶质和沥青质的脱除有好处，同时还可防止或减少催化剂结焦，有利于保持催化剂活性，提高催化剂的稳定性。

2）影响反应压力的因素

反应压力的影响是通过氢分压来体现的。

系统中的氢分压决定于操作压力、氢油比、循环氢及新氢纯度等

系统压力：

与氢分压成正比，应尽量接近设计值

新氢纯度：

受上游装置影响

废氢的排放量：

代表新氢的补充量，可提高氢气纯度

冷高分的温度：

在较高压力下，氢的溶解度随温度增加而增加，因此冷高分温度太高，会使循环氢纯度下降，氢分压下降

循环氢流量：

影响较复杂，可导致带入反应器内的气态烃发生变化同时使反应器内原料油气化率发生也变化

4、空速

空速是指单位时间内，单位体积（或质量）催化剂所通过的原料油体积（或质量）数。

空速降低，反应时间增加，加氢深度提高，床层温度有所上升，氢耗量有所增加，催化剂表面积炭也相应增加。

空速降低有利于提高产品质量，但容易引起催化剂床层结焦。

2）调节

进料量增加，提高反应温度，进料量降低，适当降低反应温度

5、氢油比

1）氢油比的影响

较高的氢油比可以保持系统有足够的氢分压，使加氢反应易于进行。

较高的氢油比可以防止油料在催化剂表面缩合结焦，延长催化剂寿命

较高的氢油比可以使反应器床层操作温度平稳。

大量的循环气体可以及时地把反应热从系统带出，使反应器温度容易控制平稳。

较高的氢油比可改善氢气对原料的雾化效果，使物流分布更均匀，提高反应物与催化剂接触效率，提高反应效果

但是，增加氢气量，也会带来一系列的缺点：

高压管线加粗，能耗增加，系统压降增大，同时使油品和催化剂的接触时间缩短，从而导致反应深度下降。

2）影响氢油比的因素：

进料油量。

新氢量及循环氢量。

氢气纯度。