基于列管式固定床反應(yīng)器的換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計進展

何鵬， 呂靖， 劉應(yīng)春， 楊培志

      列管式固定床反應(yīng)器在化工裝置中應(yīng)用廣泛，多用于強放熱反應(yīng)，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與固定管板熱交換器相似，管程為反應(yīng)區(qū)，催化劑裝填于列管內(nèi)，物料在通過管內(nèi)的催化劑床層時發(fā)生反應(yīng)，殼程空間充滿換熱介質(zhì)，形成反應(yīng)換熱系統(tǒng)。列管式反應(yīng)器常見的應(yīng)用有甲醇合成塔、環(huán)氧乙烷反應(yīng)器、丙烯酸反應(yīng)器及煤制乙醇反應(yīng)器等。

      化工裝置生產(chǎn)規(guī)模不斷放大已經(jīng)成為當前發(fā)展的趨勢，核心反應(yīng)裝備的大型化也成為國內(nèi)外爭相研究的課題。甲醇制烯烴、煤制乙二醇、煤制乙醇等新興煤化工技術(shù)不斷取得突破，開始進入化工大宗品市場，對單臺反應(yīng)器的產(chǎn)能擴大的需求尤為強烈，如單系列60萬t/a甲醇制烯烴裝置需配套180萬t/a甲醇產(chǎn)能，至少需要3臺列管式合成塔；30萬t/a煤制乙二醇裝置加氫工序需設(shè)計4~6臺列管式反應(yīng)器。在此背景下，列管反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計逐漸突破傳統(tǒng)單一的結(jié)構(gòu)形式，發(fā)展出了束管式、繞管式、板片式等結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)了單臺反應(yīng)器的產(chǎn)能擴大，提升了單系列裝置的經(jīng)濟效益。

      本文從列管式固定床反應(yīng)器出發(fā)，梳理和比較各種類型反應(yīng)器的換熱結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用場合，對列管式固定床反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向提出展望。

1、列管式反應(yīng)器

1.1 傳統(tǒng)列管式反應(yīng)器

      傳統(tǒng)列管式反應(yīng)器管內(nèi)裝填催化劑，殼程通入換熱介質(zhì)，立式布置，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

      列管式固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點是單位體積催化劑對應(yīng)的換熱面積大，適用于強放熱反應(yīng)。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與N型固定管板熱交換器一致，管、殼程兩側(cè)根據(jù)相應(yīng)介質(zhì)的物性條件以及設(shè)計壓力、設(shè)計溫度選用線膨脹系數(shù)接近的材質(zhì)，從而達到減小管、殼程結(jié)構(gòu)溫差應(yīng)力的目的。該結(jié)構(gòu)制造工藝成熟，檢修方便，反應(yīng)管焊接接頭泄漏可以進行補焊或堵管，催化劑裝卸過程簡單，因此應(yīng)用十分廣泛。

      傳統(tǒng)列管式反應(yīng)器的管束支撐一般采用單弓形折流板或圓形-圓環(huán)形折流板， 實踐經(jīng)驗及流體仿真結(jié)果均表明，殼程介質(zhì)在折流區(qū)域的流場比較復(fù)雜，存在一定范圍的死區(qū)，處于該位置的反應(yīng)管換熱效果有可能受到影響，導(dǎo)致管內(nèi)催化劑燒結(jié)、飛溫或反應(yīng)副產(chǎn)物增多等問題。因此，對于換熱要求較高的反應(yīng)體系，大多采用折流區(qū)內(nèi)不布管的結(jié)構(gòu)形式。單弓形折流和圓形-圓環(huán)形折流的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 傳統(tǒng)列管式反應(yīng)器折流結(jié)構(gòu)示圖

      折流區(qū)不布管的結(jié)構(gòu)降低了反應(yīng)器空間的有效利用率。為了最大化利用反應(yīng)器空間，通過把殼程介質(zhì)的流動方式由折流改為軸向流動，發(fā)展出了殼程介質(zhì)軸向流列管式反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)形式見圖3。

      殼程介質(zhì)軸向流列管式反應(yīng)器常用于殼程介質(zhì)發(fā)生相變的反應(yīng)換熱體系， 管束支撐部件一般采用管孔四周帶通道孔的全圓形支撐板結(jié)，也有采用折流桿或格柵支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式見圖4。

圖4 反應(yīng)管支撐結(jié)構(gòu)示圖

      殼程介質(zhì)軸向流動的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有效解決了折流區(qū)流場復(fù)雜和換熱死區(qū)問題，同時可以緩解管束振動問題。折流桿和格柵支撐的結(jié)構(gòu)對反應(yīng)管壁外流體具有擾動作用，也在一定程度上改善了軸向流換熱效果。

      隨著化工項目規(guī)模不斷擴大，列管式反應(yīng)器應(yīng)用的局限性逐漸顯露。為了提高單臺反應(yīng)器產(chǎn)能，反應(yīng)器直徑不斷增大，管板鍛件外圓尺寸和厚度也相應(yīng)增大， 反應(yīng)器設(shè)計制造難度以及總體造價都隨之提高。若反應(yīng)器的外形尺寸超過4.5 m，基本達到陸路運輸?shù)南拗茥l件，對于地處內(nèi)陸的項目，反應(yīng)器超限運輸費用高昂。也有部分項目采用在現(xiàn)場搭建大件廠房的方式進行超限反應(yīng)器的制造，項目投資大幅增加。根據(jù)大多數(shù)內(nèi)陸項目的實踐經(jīng)驗，列管式反應(yīng)器最大外形尺寸一般都須控制在設(shè)備制造商制造能力限制和項目運輸限制范圍之內(nèi)，采用多臺反應(yīng)器并聯(lián)的方式提高裝置整體產(chǎn)能。

1.2 刺刀管式/夾套管式反應(yīng)器

      傳統(tǒng)列管式固定床反應(yīng)器在管內(nèi)裝填催化劑時，受到反應(yīng)管布管最小間距的限制，其整體催化劑裝填率較低，只能通過擴大反應(yīng)器直徑來滿足裝置大型化的需求。為了進一步提高催化劑裝填率，將反應(yīng)介質(zhì)空間和換熱介質(zhì)空間調(diào)換，催化劑裝填于管外，換熱介質(zhì)在管內(nèi)流動，通過流場模擬和試驗驗證綜合確定恰當?shù)姆磻?yīng)管間距來保證換熱性能。

      一種刺刀管式或夾套管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖5。催化劑裝填于殼程，形成反應(yīng)空間，換熱介質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)管和套管形成的間隙中流動，形成換熱空間，該方案可有效提升催化劑裝填率。換熱結(jié)構(gòu)一端固定，另一端可以自由伸縮，避免了固定管板結(jié)構(gòu)存在的溫差應(yīng)力問題。但該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)制造較為復(fù)雜，管束發(fā)生泄漏后檢修較為困難，一般應(yīng)用于放熱強度較小的反應(yīng)工況。

1.3 自冷式反應(yīng)器

      對于放熱強度小的反應(yīng)工況，可通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上的改進實現(xiàn)反應(yīng)放熱的回收利用。一種自冷式列管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖6。該反應(yīng)器列管內(nèi)部作為反應(yīng)介質(zhì)進料加熱通道，在管外裝填催化劑形成反應(yīng)空間，反應(yīng)介質(zhì)通過進料分配器進入管內(nèi)，與管外反應(yīng)空間進行換熱，到達管束頂部后折流返回進入管外催化劑床層進行反應(yīng)。對于放熱反應(yīng)體系，該結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)了對進料進行加熱和對反應(yīng)進行取熱2個過程。

      自冷式反應(yīng)器的主要特點是在反應(yīng)器內(nèi)部實現(xiàn)了進料加熱器的部分功能， 但其內(nèi)部反應(yīng)流場模型和換熱模型匹配設(shè)計難度較大，對進料分配和催化劑裝填的均勻性要求較高，直接影響整個反應(yīng)器截面的溫差控制效果。

      以上介紹的3種列管式固定床反應(yīng)器均是在滿足反應(yīng)換熱的前提下，針對提高反應(yīng)器空間有效利用率的需求，對換熱結(jié)構(gòu)進行的優(yōu)化設(shè)計探索，也在項目實踐中得到了應(yīng)用和驗證。這幾種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的共同點是反應(yīng)側(cè)介質(zhì)均為軸向流動，催化劑床層高度決定了反應(yīng)器反應(yīng)側(cè)的操作壓降。對于設(shè)計有循環(huán)流程的反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)器操作壓降直接影響循環(huán)系統(tǒng)的能耗，因此軸向流反應(yīng)器的床層高度設(shè)計也受到壓降因素的限制。為進一步提高單臺反應(yīng)器的產(chǎn)能，降低反應(yīng)器壓降，軸-徑向流反應(yīng)器，也稱徑向流反應(yīng)器的應(yīng)用范圍逐漸擴大。

2 分管束式反應(yīng)器

      一種內(nèi)置分管束式的徑向流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意見圖7。

      反應(yīng)介質(zhì)經(jīng)中心分布器，徑向穿過催化劑床層和換熱管束進行反應(yīng)。該反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)也適用于軸向流工況，但是徑向流方案的催化劑裝填高度可以根據(jù)換熱結(jié)構(gòu)和進料分布的合理設(shè)計適當加高，進一步提升催化劑裝填量。由于徑向流動路徑短，解決了軸向流床層壓降大的問題，循環(huán)能耗較低。目前該方案在大型甲醇裝置中廣泛應(yīng)用，單臺反應(yīng)器的最大產(chǎn)能可達到110萬t/a。

      該徑向流反應(yīng)器在管外裝填催化劑，作為反應(yīng)空間，換熱介質(zhì)在管內(nèi)流動，換熱管兩端通過彎曲匯總連接到管箱，分別連接換熱介質(zhì)的進、出口。換熱管直管段位置從內(nèi)向外依次設(shè)置有中心進料分布器、催化劑筐、管束和外收集器。

      該結(jié)構(gòu)換熱管束的設(shè)計難度較大， 需對管束進行整體分析設(shè)計， 管束與殼體之間存在溫差應(yīng)力，需設(shè)計膨脹節(jié)解決。換熱管束裝配難度大，造程序繁瑣， 不同位置使用的換熱管長度各不相同，需使用三維建模的方法檢查管束彎曲段結(jié)構(gòu)是否碰撞。

      對于該徑向流反應(yīng)器，換熱管的規(guī)格和間距設(shè)計以及中心進料分布器的設(shè)計最為關(guān)鍵。合理的換熱管規(guī)格和間距可以實現(xiàn)換熱面積和催化劑裝填率2個指標的平衡，中 心進料分布器的分布效果則直接影響催化劑床層的有效利用率，因此須進行嚴謹?shù)牧鲌瞿M和試驗驗證才能應(yīng)用于工業(yè)裝置。

3、板片式反應(yīng)器

      一種內(nèi)置換熱板的軸-徑向流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖8，該反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)方案也適用于反應(yīng)介質(zhì)軸向流動反應(yīng)器。

      該反應(yīng)器采用特殊設(shè)計加工的板片式結(jié)構(gòu)取代換熱管，板片沿著反應(yīng)器圓周均勻分布，板片可以做成板束，進行整體安裝，裝配過程相對簡單。板片結(jié)構(gòu)為2張不銹鋼薄板通過邊緣焊接和中間焊點進行結(jié)合，向內(nèi)充高壓氣體鼓包而成型，整體穩(wěn)定性較好。

      該反應(yīng)器在板片間隙裝填催化劑，換熱介質(zhì)在板片內(nèi)流動，板片兩端的接口匯總進入集合管，分別連接換熱介質(zhì)進、出口。在板片所處位置從內(nèi)向外方向依次設(shè)置有中心進料分布器、催化劑筐、板片及催化劑筐。

      由于換熱板結(jié)構(gòu)為焊接成型，焊縫長，一旦發(fā)生焊點泄漏，檢、維修困難，因此對換熱板的可靠性要求較高，制造和檢測要求十分嚴格，目前國內(nèi)多采用進口產(chǎn)品。板片沿著圓周分布組裝后形成束狀，板束與反應(yīng)器殼體之間存在溫差應(yīng)力，需在板束兩端設(shè)計膨脹節(jié)或π 形彎管加以解決。換熱板是氣壓成型，外形不是規(guī)則結(jié)構(gòu)，其傳熱計算相比管狀規(guī)則結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對流場模擬和試驗驗證的要求較高。該反應(yīng)器目前多用于甲醇合成裝置，單臺最大產(chǎn)能可達到100萬t/a。

4、纏繞管式反應(yīng)器

      一種纏繞管式徑向流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖9，該反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)方案也適用于反應(yīng)介質(zhì)軸向流動的反應(yīng)器。

      該反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)方案源于纏繞管式熱交換器。纏繞管式熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、管束可自由膨脹及溫差應(yīng)力小等特點，廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)多個技術(shù)領(lǐng)域。纏繞管式反應(yīng)器實際是對分管束式反應(yīng)器的一種結(jié)構(gòu)變形， 這種結(jié)構(gòu)設(shè)計包含了對分管束式反應(yīng)器管束結(jié)構(gòu)的裝配難度大和溫差應(yīng)力問題的綜合考慮，纏繞管束的制造過程具備獨特的便捷性，且纏繞管換熱結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高溫工況時能夠有效解決溫差應(yīng)力問題，因此該結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的開發(fā)成為當前研究的熱點。

      該反應(yīng)器設(shè)計在管外裝填催化劑，換熱介質(zhì)在纏繞管內(nèi)流動換熱，換熱管兩端通過自由彎曲匯總連接到管箱，分別連接換熱介質(zhì)進、出口。在纏繞管束所處位置從內(nèi)向外方向依次設(shè)置有中心進料分布器、催化劑筐、纏繞管和外收集器，中心分布器同時作為纏繞管束的中心承載結(jié)構(gòu)。纏繞管式反應(yīng)器的多層繞管結(jié)構(gòu)有利于提高反應(yīng)介質(zhì)沿徑向流動的均勻性， 間接優(yōu)化了流體在反應(yīng)器內(nèi)的分布效果。

      多數(shù)纏繞管式反應(yīng)器設(shè)計均需采用超長換熱管（相對于12 m 以下的常用換熱管長度），因此制造過程中對換熱管的質(zhì)量控制和檢測要求較高。由于纏繞管束的位置也是裝填催化劑的反應(yīng)空間，管束纏繞的尺寸精度直接影響催化劑裝填均勻性，因此管束纏繞過程的制造工藝控制對于反應(yīng)器使用性能至關(guān)重要。

5、結(jié)語

      列管式固定床反應(yīng)器的改進是多方位的，從傳統(tǒng)的固定管板式結(jié)構(gòu)發(fā)展到刺刀管式、自冷式、分管束式、板片式、纏繞管式等結(jié)構(gòu)，從管內(nèi)裝填催化劑發(fā)展到管外裝填催化劑，從軸向流發(fā)展到軸-徑向流和徑向流，所有改進都有一個最終目的，即在保證換熱效果的前提下，提高反應(yīng)器空間利用率，降低裝置能耗和反應(yīng)器制造難度，提高單臺反應(yīng)器的產(chǎn)能水平，以體現(xiàn)裝置大型化的規(guī)模效益。除文中介紹的幾種主要的反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)形式，在石化行業(yè)項目實踐中還存在其它近似或變形結(jié)構(gòu)，不再一一贅述。

      目前針對不同反應(yīng)體系和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的傳熱模型和流場模擬仍是關(guān)鍵問題所在，工程計算方法和模型的建立以及修正參數(shù)的取值仍需實踐經(jīng)驗的總結(jié)和積累，新型設(shè)備結(jié)構(gòu)和選材方案的可靠性仍待工程實踐驗證。化工行業(yè)新技術(shù)層出不窮，對于列管式固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)改進，還需從化學反應(yīng)的特點和本質(zhì)需求出發(fā)，從反應(yīng)器的整體方案著手，才能開發(fā)出匹配反應(yīng)過程的高效反應(yīng)裝備。

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