何 鵬，呂 靖，劉應春，楊培志

（1.延長中科(大連)能源科技股份有限公司，遼寧 大連 116085；2.中國科學院 大連化學物理研究所，遼寧 大連 116023）

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

化工裝置生產規(guī)模不斷放大已經成為當前發(fā)展的趨勢，核心反應裝備的大型化也成為國內外爭相研究的課題［1-2］。甲醇制烯烴、煤制乙二醇、煤制乙醇等新興煤化工技術不斷取得突破，開始進入化工大宗品市場，對單臺反應器的產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甲醇產能，至少需要3臺列管式合成塔［3］；30萬t/a煤制乙二醇裝置加氫工序需設計4～6臺列管式反應器［4］。在此背景下，列管反應器換熱結構的設計逐漸突破傳統單一的結構形式，發(fā)展出了束管式、繞管式、板片式等結構形式，實現了單臺反應器的產能擴大，提升了單系列裝置的經濟效益。

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

1 列管式反應器

1.1 傳統列管式反應器

傳統列管式反應器管內裝填催化劑，殼程通入換熱介質，立式布置，其結構形式見圖1。

圖1 傳統列管式反應器結構示圖

列管式固定床反應器的結構特點是單位體積催化劑對應的換熱面積大，適用于強放熱反應［5］。該反應器結構與N型固定管板熱交換器一致［6］，管、殼程兩側根據相應介質的物性條件以及設計壓力、設計溫度選用線膨脹系數接近的材質，從而達到減小管、殼程結構溫差應力的目的。該結構制造工藝成熟［7］，檢修方便，反應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，因此應用十分廣泛。

傳統列管式反應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，實踐經驗及流體仿真結果均表明，殼程介質在折流區(qū)域的流場比較復雜，存在一定范圍的死區(qū)［8］，處于該位置的反應管換熱效果有可能受到影響，導致管內催化劑燒結、飛溫或反應副產物增多等問題。因此，對于換熱要求較高的反應體系，大多采用折流區(qū)內不布管的結構形式。單弓形折流和圓形-圓環(huán)形折流的反應器結構形式見圖2。

圖2 傳統列管式反應器折流結構示圖

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

圖3 殼程介質軸向流列管式反應器結構示圖

殼程介質軸向流列管式反應器常用于殼程介質發(fā)生相變的反應換熱體系，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［9］，也有采用折流桿或格柵支撐結構［10-13］，其結構形式見圖 4。

圖4 反應管支撐結構示圖

殼程介質軸向流動的反應器結構有效解決了折流區(qū)流場復雜和換熱死區(qū)問題，同時可以緩解管束振動問題［14］。折流桿和格柵支撐的結構對反應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［15］。

隨著化工項目規(guī)模不斷擴大，列管式反應器應用的局限性逐漸顯露。為了提高單臺反應器產能，反應器直徑不斷增大，管板鍛件外圓尺寸和厚度也相應增大，反應器設計制造難度以及總體造價都隨之提高［16-18］。若反應器的外形尺寸超過4.5 m，基本達到陸路運輸的限制條件，對于地處內陸的項目，反應器超限運輸費用高昂［19］。也有部分項目采用在現場搭建大件廠房的方式進行超限反應器的制造，項目投資大幅增加。根據大多數內陸項目的實踐經驗，列管式反應器最大外形尺寸一般都須控制在設備制造商制造能力限制和項目運輸限制范圍之內，采用多臺反應器并聯的方式提高裝置整體產能。

1.2 刺刀管式/夾套管式反應器

傳統列管式固定床反應器在管內裝填催化劑時，受到反應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，將反應介質空間和換熱介質空間調換，催化劑裝填于管外，換熱介質在管內流動，通過流場模擬和試驗驗證綜合確定恰當的反應管間距來保證換熱性能。

一種刺刀管式或夾套管式反應器結構見圖5。催化劑裝填于殼程，形成反應空間，換熱介質在反應器內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。換熱結構一端固定，另一端可以自由伸縮，避免了固定管板結構存在的溫差應力問題。但該反應器結構制造較為復雜，管束發(fā)生泄漏后檢修較為困難，一般應用于放熱強度較小的反應工況［20］。

圖5 刺刀管式/夾套管式反應器結構示圖

1.3 自冷式反應器

對于放熱強度小的反應工況，可通過反應器結構上的改進實現反應放熱的回收利用。一種自冷式列管反應器結構見圖6。該反應器列管內部作為反應介質進料加熱通道，在管外裝填催化劑形成反應空間，反應介質通過進料分配器進入管內，與管外反應空間進行換熱，到達管束頂部后折流返回進入管外催化劑床層進行反應［21］。對于放熱反應體系，該結構同時實現了對進料進行加熱和對反應進行取熱2個過程［22-23］。

圖6 自冷式反應器結構示圖

自冷式反應器的主要特點是在反應器內部實現了進料加熱器的部分功能，但其內部反應流場模型和換熱模型匹配設計難度較大，對進料分配和催化劑裝填的均勻性要求較高，直接影響整個反應器截面的溫差控制效果［24］。

以上介紹的3種列管式固定床反應器均是在滿足反應換熱的前提下，針對提高反應器空間有效利用率的需求，對換熱結構進行的優(yōu)化設計探索，也在項目實踐中得到了應用和驗證。這幾種反應器結構的共同點是反應側介質均為軸向流動，催化劑床層高度決定了反應器反應側的操作壓降。對于設計有循環(huán)流程的反應系統，反應器操作壓降直接影響循環(huán)系統的能耗，因此軸向流反應器的床層高度設計也受到壓降因素的限制。為進一步提高單臺反應器的產能，降低反應器壓降，軸-徑向流反應器，也稱徑向流反應器的應用范圍逐漸擴大［25］。

2 分管束式反應器

一種內置分管束式的徑向流反應器結構示意見圖 7。

圖7 分管束式反應器結構示圖

反應介質經中心分布器，徑向穿過催化劑床層和換熱管束進行反應。該反應器換熱結構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換熱結構和進料分布的合理設計適當加高，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［26］。目前該方案在大型甲醇裝置中廣泛應用，單臺反應器的最大產能可達到110萬t/a。

該徑向流反應器在管外裝填催化劑，作為反應空間，換熱介質在管內流動，換熱管兩端通過彎曲匯總連接到管箱，分別連接換熱介質的進、出口［27-29］。換熱管直管段位置從內向外依次設置有中心進料分布器、催化劑筐、管束和外收集器［30］。

該結構換熱管束的設計難度較大，需對管束進行整體分析設計，管束與殼體之間存在溫差應力，需設計膨脹節(jié)解決。換熱管束裝配難度大，制造程序繁瑣，不同位置使用的換熱管長度各不相同［31］，需使用三維建模的方法檢查管束彎曲段結構是否碰撞。

對于該徑向流反應器，換熱管的規(guī)格和間距設計以及中心進料分布器的設計最為關鍵［32］。合理的換熱管規(guī)格和間距可以實現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［33-35］，因此須進行嚴謹的流場模擬和試驗驗證才能應用于工業(yè)裝置［36］。

3 板片式反應器

一種內置換熱板的軸-徑向流反應器結構見圖8，該反應器換熱結構方案也適用于反應介質軸向流動反應器。

圖8 板片式反應器結構示圖

該反應器采用特殊設計加工的板片式結構取代換熱管，板片沿著反應器圓周均勻分布，板片可以做成板束，進行整體安裝，裝配過程相對簡單［37］。板片結構為2張不銹鋼薄板通過邊緣焊接和中間焊點進行結合，向內充高壓氣體鼓包而成型，整體穩(wěn)定性較好［38］。

該反應器在板片間隙裝填催化劑，換熱介質在板片內流動，板片兩端的接口匯總進入集合管，分別連接換熱介質進、出口。在板片所處位置從內向外方向依次設置有中心進料分布器、催化劑筐、板片及催化劑筐［39-40］。

由于換熱板結構為焊接成型，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，目前國內多采用進口產品［41］。板片沿著圓周分布組裝后形成束狀，板束與反應器殼體之間存在溫差應力，需在板束兩端設計膨脹節(jié)或π形彎管加以解決。換熱板是氣壓成型，外形不是規(guī)則結構，其傳熱計算相比管狀規(guī)則結構復雜，因此對流場模擬和試驗驗證的要求較高。該反應器目前多用于甲醇合成裝置，單臺最大產能可達到100萬t/a。

4 纏繞管式反應器

一種纏繞管式徑向流反應器結構見圖9，該反應器換熱結構方案也適用于反應介質軸向流動的反應器。

圖9 纏繞管式反應器結構示圖

該反應器換熱結構方案源于纏繞管式熱交換器。纏繞管式熱交換器具有結構緊湊、傳熱效率高、管束可自由膨脹及溫差應力小等特點，廣泛應用于石油化工行業(yè)多個技術領域［42-43］。纏繞管式反應器實際是對分管束式反應器的一種結構變形，這種結構設計包含了對分管束式反應器管束結構的裝配難度大和溫差應力問題的綜合考慮，纏繞管束的制造過程具備獨特的便捷性［44］，且纏繞管換熱結構應用于高溫工況時能夠有效解決溫差應力問題，因此該結構反應器的開發(fā)成為當前研究的熱點［45］。

該反應器設計在管外裝填催化劑，換熱介質在纏繞管內流動換熱，換熱管兩端通過自由彎曲匯總連接到管箱，分別連接換熱介質進、出口［46-47］。在纏繞管束所處位置從內向外方向依次設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構。纏繞管式反應器的多層繞管結構有利于提高反應介質沿徑向流動的均勻性，間接優(yōu)化了流體在反應器內的分布效果。

多數纏繞管式反應器設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量控制和檢測要求較高［48］。由于纏繞管束的位置也是裝填催化劑的反應空間，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器使用性能至關重要［49-50］。

5 結語

列管式固定床反應器的改進是多方位的，從傳統的固定管板式結構發(fā)展到刺刀管式、自冷式、分管束式、板片式、纏繞管式等結構，從管內裝填催化劑發(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，提高反應器空間利用率，降低裝置能耗和反應器制造難度，提高單臺反應器的產能水平，以體現裝置大型化的規(guī)模效益。除文中介紹的幾種主要的反應器換熱結構形式，在石化行業(yè)項目實踐中還存在其它近似或變形結構，不再一一贅述。

目前針對不同反應體系和反應器結構的傳熱模型和流場模擬仍是關鍵問題所在，工程計算方法和模型的建立以及修正參數的取值仍需實踐經驗的總結和積累，新型設備結構和選材方案的可靠性仍待工程實踐驗證?；ば袠I(yè)新技術層出不窮，對于列管式固定床反應器的結構改進，還需從化學反應的特點和本質需求出發(fā)，從反應器的整體方案著手，才能開發(fā)出匹配反應過程的高效反應裝備。