重整反應器壓降的計算與分析

向小波

摘 要：重整反應器是連續重整裝置的核心設備，為減少壓降，降低反應壓力，主要采用徑向反應器。移動床徑向反應器的內構件主要包括扇形筒、中心管和催化劑輸送管。以60萬t/a連續重整裝置的重疊式反應器為例，計算出了物料分布至扇形筒時產生的分流流道壓降、流經催化劑床層時的床層壓降、流經中心筒沖孔板時的穿孔壓降，匯合至中心管內時的集流流道壓降，根據各段壓降的分布特點主要研究了各段壓降變化對反應器內物流分布的影響。

關鍵詞：重整反應器;扇形筒;催化劑床層;中心筒;壓降;不均勻度

1 反應器結構

60萬t/a連續重整裝置采用UOP CycleMax重整工藝，四臺徑向反應器堆疊布置，反應物為上進上出型，其內構件主要包括扇形筒、中心管催化劑輸送管。

反應物料自油氣入口進入反應器，均勻分布進入貼近器壁的各扇形管，自上而下分流，穿過扇形筒長條孔沖孔板，進入催化劑床層，與催化劑接觸反應后，穿過中心管篩條縫隙，后再穿過中心筒開孔圓筒，匯集至中心筒內部，經油氣出口流出。在反應器最末一臺反應器的中心管上，篩條與內筒之間增加了一層沖滿長條形孔的沖孔板，以防止一旦篩條損壞，催化劑進入中心管內部經油氣出口流進壓縮機或產品中。

2 壓降計算

反應物流自扇形管頂部進來后，自上而下隨著氣量的減少速度不斷減小，靜壓力不斷增加，存在分流壓降，在中心管內部，氣量自上而下不斷增加，速度也不斷增加，靜壓力不斷減小，存在集流壓降。氣流在穿過催化劑床層和中心管開孔圓筒時亦存在壓降。扇形筒和中心管篩條流通面積較大，其壓降可忽略不計。因此重整反應器壓降主要由催化劑床層壓降、分流流道壓降、集流流道壓降和中心筒穿孔壓降組成。

2.1 催化劑床層壓降[1]

催化劑床層壓降根據歐根公式進行計算：

式中：gc-換算因子，取9.8;ΔPb-催化劑床層壓降，m;Lb-床層高度，m;Ub-表觀速度，m/s;ε-床層空隙率;ρf-氣體密度，kg/m3;φp-顆粒形狀系數;μ-氣體粘度，Pa·s;dp-催化劑當量直徑，m。

2.1.1 徑向反應器的催化劑的床層高度即為催化劑的厚度

Lb=（Rb-rb）/2

Rb為床層當量外徑，其意義為以Rb為直徑的圓的面積等于以反應器內徑為直徑得出的圓形面積減去扇形筒的截面積，單位為m;rb為床層當量內徑，即為中心筒外徑，單位為m。

一、二、三反扇形筒尺寸與個數相同，且反應器內徑也相同，四反扇形筒尺寸與前三臺反應器尺寸相同，但個數不同。已知各反應器尺寸參數可計算出各反應器。

2.1.2 表觀線速

Ub=V/Sb

V-工況下的氣體體積流量，單位為m3/h;Sb-床層徑向流通面積，單位為m3。

2.1.2.1 計算反應器內氣體體積流量V

各反應器內反應生成的氫氣和裂化產生的小分子摩爾數不同、平均反應溫度和平均反應壓力不同，1#至4#反應器內的體積流量會逐漸增加，先獲取各反應器內的轉化率，才能求得各反應器工況下的體積流量。

根據重整反應原理[2]，1#反應器內主要發生環烷烴脫氫反應和少量烷烴脫氫環化反應，2#反應器內主要發生剩余一部分的環烷烴脫氫反應、較多的烷烴脫氫環化反應和異構化反應，在3#反應器內環烷烴脫氫反應基本反應完全，繼續進行較多的烷烴脫氫環化反應和異構化反應，同時伴隨少量的裂解反應，四反進行少量的烷烴脫氫環化反應和異構化反應、脫烷基反應和裂解反應。

已知重整進料、重整生成油、產氫、循環氫、干氣組成，可知1#反應器入口和4#反應器出口油氣組成，通過假定反應器內的轉化率計算反應器內物料的平均體積，以1#反應器為例，求出反應器出口的物料組成，即生成的氫氣量。假定各組分的轉化率，在某一假定的轉化率下可知反應后的物料組成。

計算在假定的轉化率下反應器出入口物料的焓差，在絕熱反應條件下，反應器出入口物料焓差應為0，通過調整各物料轉化率盡量使反應器出入口焓差值減小。通過相關文獻或軟件可查得不同溫度下各組分焓值。

實際的反應熱指在恒溫條件下物料反應吸收的熱，即用反應器出口物料的總焓值（518℃）減去反應器入口物料的總焓值（518℃）即可得到反應熱，利用反應熱和出入口物料平均比熱容即可算出反應器的平均溫降，在假定的轉化率下四臺反應器出入口焓差和溫降要綜合考慮，使得四臺反應器的溫降比例接近實際比例。4#反應器還需考慮裂化反應的影響，使計算所得的分子摩爾總數接近實際值。

反應器出入口物料組成已知，根據反應器內物料的平均比熱容可計算出理論反應器溫降。

根據反應器出入口的物料組成計算平均比熱容：

CP平均=（∑（Cpi入×Mi入）+∑（Cpi出×Mi出））/2

Cp平均-反應器出入口物料平均熱容，kJ/（mol·K）;Cpi入-反應器入口各物料組分在入口溫度下的比熱容，kJ/（mol·K）;Cpi出-反應器出口各物料組分在出口溫度下的比熱容，kJ/（mol·K）;Mi入反應器入口各物料組分摩爾比;Mi出反應器出口各物料組分摩爾比。

查找文獻可獲得各組分在不同溫度下的比熱容，計算后進行單位換算。

當反應器出入口物料焓差最小且計算溫降與實際值最接近，可認為當前假定轉化率與實際轉化率接近。根據理想氣體狀態方程PV=nRT進一步計算出各反應器內物料的平均體積流量，反應器出入口壓力變化較小，對流量的影響可忽略不計。

2.1.2.2 計算徑向床層流通面積Sb

Sb=πdmHb dm=（Rb-rb）/ln（Rb/rb）

Hb-床層徑向高度，取中心筒和扇形筒開孔高度的平均值，m。

2.1.3 各反應器氣體密度的計算

各反應器內的質量不變，各反應器內的平均體積流量已知，可知各反應器物流的平均密度，

2.1.4 各反應器氣體粘度的計算

低壓下粘度計算公式較為復雜，粘度在一定范圍內變化對催化劑床層差壓影響較小，各反應器內物流粘度取出入口粘度設計平均值。根據重整催化劑的特性，床層空隙率ε取0.39，顆粒形狀系數取1，催化劑當量直徑dp取0.00163m，計算出一反催化劑床層差壓為4.1kPa，二反催化劑床層差壓為4.02kPa，三反催化劑床層差壓為3.66kPa，四反催化劑床層差壓為4.02kPa。

2.2 分流流道壓降

氣流分配在各扇形筒時存在分流流道壓降：

KD-分流流道動量交換系數，取0.72;ud-分流流道氣速，m/s;ρf-氣體密度，kg/m3。

分流流道氣速：

ud=V/SD

SD-各反應器內扇形筒截面積之和，m3。

根據公式計算各反應器分流流道壓降分別為0.51kPa、0.66kPa、0.78kPa、0.65kPa。

2.3 中心筒穿孔壓降

氣流穿過中心筒時存在穿孔壓降：

ue-穿孔氣速：

ue=V/Se，m/s Se=πrcHbe

rc-中心筒內徑，m;Hb-床層高度，m;e-中心筒開孔率，%;ρf-氣體密度，kg/m3;

，KK>2時;ξ=1.5β，否則ξ=1.75β;uc-集流流道氣速，詳見2.4。

δ-中心管壁厚，mm;φ-中心管開孔孔徑，mm。

計算得出各反應器中心筒穿孔壓降分別為3.17kPa、3.0kPa、2.94kPa、2.29kPa。

2.4 集流流道壓降

物流流經中心筒產生的壓降為集流流道壓降：

uc-集流流道氣速：

uc=V/Sc，m/s

rc-中心筒內徑，m;ρf -氣體密度，kg/m3;Kc-壓降系數，取1。

依據公式計算各反應器集流流道壓降分別為0.36kPa、0.47kPa、0.56kPa、0.65kPa。

2.5 總壓降

總壓降：

PA= Pb+PD+Pc+Pe

一反計算總壓降為8.14kPa，實際總壓降為6.91kPa，二反計算總壓降為8.16kPa，實際總壓降為7.13kPa，三反計算總壓降為7.94kPa，實際總壓降為6.96kPa，四反計算總壓降為7.63kPa，實際總壓降為7.54kPa。根據重整反應規律，先預測2#和3#反應器出口物料組成，在單臺反應器出入口焓差基本相等且計算總溫降與實際溫降接近時，可認為預測所得的反應產物組成與實際接近。計算所得的反應器壓降比實際壓降分別高約18%、14%、14%、1.2%，排除儀表測量誤差的影響，主要與床層溫度隨催化劑流動的方向逐漸降低有關。重整反應為吸熱反應，在反應器床層上部反應速度快，溫度下降較快，下部因催化劑發生積炭、反應溫度降低，溫度下降較慢，在計算過程中取床層的平均密度對計算結果產生了影響，但在可接受范圍內。

3 反應器不均勻度

反應器內壓降的變化直接影響物流在催化劑床層的分布，從而影響催化劑的反應效率。要使反應器上下物流分布均勻，必須使上下壓差相等。壓差與流速的平方成正比，以反應器內部上下流速表示物流的不均勻度：

ΔQ = 1-[（ΔPb+ΔPc+ΔPe/（ΔPb+ΔPD+ΔPe）]0.5

計算知各反應器不均勻度分別為0.96%、1.24%、1.5%、0.15%。各反應器不均勻度均小于10%，氣流分布較均勻。

對于上進上出型重整反應器，當集流流道壓降與分流流道壓降相等時，即ΔPc等于ΔPD時，反應器內物料分布最均勻。根據二者的計算公式，在反應器內構件尺寸已確定時，反應器出入口溫差與設計值偏離越小，流速、物料密度與設計值越接近，物料分布越均勻。對于異常工況，在扇形管和中心筒發生損壞時，不僅會影響物料流速，也會影響溫度分布，不利于均勻分布。

4 結論

徑向反應器的核心是要保證物料分布均勻。在設計反應器時首先要確定原料性質和反應苛刻度，則反應器催化劑裝填量固定。根據經驗選定中心管直徑、反應器殼體直徑和扇形筒的個數后，則根據催化劑裝填量確定反應器高度。計算出分流流道壓降、催化劑床層壓降、和集流流道壓降后，根據分布均勻的要求，再計算出穿孔壓降即可知中心管的最大開孔面積。

因原料性質變化或反應器內構件損壞引起溫降分布發生變化時，通過各反應器內反應轉化規律，可定量推算出對物料分布情況的影響，為分析判斷提供依據。

參考文獻：

[1]徐承恩.催化重整工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2009：411-417

[2]徐春明.石油煉制工程[M].北京：石油工業出版社，2009： 466-471