列管式反应器在直接选择氧化法硫回收工艺中的研究

燕 航，邓丽君，田伟杰，刘小勇

（中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西靖边 718500）

1 工艺设计简介

天然气净化厂设有一套采用直接选择氧化法（SCO 工艺）的硫磺回收装置处理来自天然气净化装置脱出的酸气，设计酸气H2S 含量为2.871 8%（见表1），潜硫含量为12.5 t/d，额定工况酸气流量为13 380 m3/h（20 ℃、101.325 kPa），变化范围在5 352～14 718 m3/h。

表1 酸气组分设计值

硫磺回收装置设计有两级反应，反应原理为含H2S 酸气与空气混合在催化剂上进行H2S 的选择氧化，化学反应式如下：

其中一级反应器为恒温反应器，采用高选择性催化剂，反应器内设换热管，管内水汽化吸热移除反应热；二级为绝热式反应器，采用深度氧化催化剂，实现H2S较高的转化率。

2 恒温反应器的结构及原理

恒温反应器作为整个硫磺回收装置的核心反应设备，是本文的主要研究对象。

硫磺回收装置的恒温反应器为列管式固定床反应器，主要由换热系统、触媒装载、压力壳体三大部分组成，实际内部结构（见图1）。

设备运行时，酸气与空气的混合气体进入反应器壳程，从径向框进气孔进入反应器内部，在催化剂上发生催化氧化反应，放出大量反应热后，从中心管流出。反应热的释放会导致床层温度升高，为了控制床层温度，设备内部分布有大量轴向换热管，换热管分为内外套管，内套管与水室相通，外套管与汽室相通。水室内的冷却循环水在内套管吸收反应热形成蒸汽进入外套管，进而进入汽室，汽室与汽包连通，汽包内的饱和蒸汽与外部冷却设备相连进行冷却，冷却后的循环水最终返回水室，形成换热系统的闭式循环。

从恒温反应器内部剖面图（见图2），由图2 可以看出：反应器器壁径向框附近和中心管附近换热管分布较少，并存在一个换热管分布密集的区域，该区域的换热效果最佳。

图1 恒温反应器内部结构图

图2 恒温反应器内部剖面图

根据列管式固定床反应器的相关研究理论，固定床反应器进行强放热反应时，反应器轴向温度存在一个最大点，即热点[1]。当热点温度发生巨大变化时，就出现设备飞温，飞温导致反应器运行不稳定，直接影响反应器内催化剂的转化率、选择性、活性以及反应器的使用寿命。结合第五净化厂恒温反应器的设计结构可以看出：当强放热反应集中在反应器进口，器壁径向框附近时，由于换热管少，移热效果差，反应热不能及时被带走，使热点温度辐射至器壁，导致器壁温度升高。而当强放热反应集中在反应器出口，中心管附近时，换热管相对较少，移热效果差，热点温度无法及时下降，使得恒温反应器床层温度升高。也就是说，当反应热量一定时，热点位置向外移动会导致器壁温度升高，向内移动会导致床层温度升高。只有将热点位置控制在最佳换热区域内时，才能通过有效的换热带走热量从而降低热点温度，防止设备飞温。因此，在反应热量一定时，控制恒温反应器的热点位置是防止设备飞温、保证正常运行的核心。

3 运行分析及效果评价

通过对列管式固定床反应器运行理论研究，影响反应器热点温度的因素主要有进料浓度、进料温度、空速、冷却介质温度和催化剂的阻力五方面。由于催化剂填充完成后，床层密度基本保持不变，催化剂阻力变化不大，因此不讨论催化剂对热点温度的影响。结合硫磺回收装置实际操作运行，影响恒温反应器热点温度的因素分别为酸气H2S 浓度、酸气流量、酸气预热温度、汽包压力（汽包温度与压力成正比关系，为了方便对比，使用汽包压力代替汽包温度进行研究）。

硫磺回收装置长期的调试运行过程中发现，反应器床层的温度监测点B（以下简称B 点）在众多监测点中温度最高且变化最灵敏，因此将B 点近似的作为反应器热点进行研究。

3.1 酸气H2S 浓度

H2S 直接氧化是一个强放热反应，反应器入口每含1% H2S 转化为硫的反应热，能够导致催化剂床层温升约60 ℃。因此，酸气H2S 浓度的高低决定了反应器内反应热量的大小。由于反应器内部换热管分布的特殊性，床层温度的大小由反应热量及热点位置共同控制。

硫磺回收装置实际运行时，将处理的酸气H2S 浓度分为四个区间：5.0%～5.5%、5.5%～6.0%、6.0%～6.5%、6.5%～7.5%，将酸气流量、汽包压力、预热温度相近的部分生产数据整理、归纳（见表2～表4）。

根据表2、表3、表4 可以看出：即使酸气流量、汽包压力、预热温度变化，只要这三个影响因素保持一定，B 点温度会随着H2S 浓度的增大而降低。H2S 浓度不仅控制着反应热量，同时影响热点位置的移动，在恒温反应器内热点位置移动带来的降温效应大于H2S 浓度增长带来的升温效应，最终导致了B 点温度的下降。作为床层温度的监控点，B 点温度的下降，说明了H2S 浓度增大，热点位置外移。

表2 B 点温度随H2S 浓度变化数据表

表3 B 点温度随H2S 浓度变化数据表

表4 B 点温度随H2S 浓度变化数据表

3.2 酸气流量

硫磺回收装置实际运行时，将处理的酸气流量分为四个区间：2 500～3 000 m3/h、3 000～3 500 m3/h、3 500～6 000 m3/h、6 000～6 500 m3/h，将H2S 浓度、汽包压力、预热温度相近的部分生产数据整理、归纳（见表5～表7）。

根据表5、表6、表7 可以看出：即使酸气H2S 浓度、汽包压力、预热温度变化，只要这三个影响因素保持一定，B 点温度会随着酸气流量的增大而增大。由于H2S 浓度一定，反应热量确定，B 点温度增大是由于热点位置内移造成的。因此，酸气流量增大，热点位置内移。

表5 B 点温度随酸气流量变化数据表

表6 B 点温度随酸气流量变化数据表

表7 B 点温度随酸气流量变化数据表

3.3 汽包压力

硫磺回收装置运行时，将调控的汽包压力分为三个区间：2.00～2.05 MPa、2.10～2.15 MPa、2.20～2.25 MPa，将酸气H2S 浓度、酸气流量、预热温度相近的部分生产数据整理、归纳（见表8～表10）。

根据表8、表9、表10 可以看出：即使酸气H2S 浓度、酸气流量、预热温度变化，只要这三个影响因素保持一定，B 点温度会随着汽包压力的增大而降低。由于H2S 浓度一定，反应热量确定，B 点温度降低是由于热点位置外移造成的。因此，汽包压力（温度）增大，热点位置外移。

3.4 预热温度

硫磺回收装置实际运行时，将调控的酸气预热温度分为三个区间：155～165 ℃、185～195 ℃、195～205 ℃，将酸气H2S 浓度、酸气流量、汽包压力相近的部分生产数据整理、归纳（见表11～表13）。

根据表11、表12、表13 可以看出：即使酸气H2S浓度、酸气流量、汽包压力变化，只要这三个影响因素保持一定，B 点温度会随着预热温度的增大而降低。由于H2S 浓度一定，反应热量确定，B 点温度降低是由于热点位置外移造成的。因此，预热温度增大，热点位置外移。

表8 B 点温度随汽包压力变化数据表

表9 B 点温度随汽包压力变化数据表

表10 B 点温度随汽包压力变化数据表

表11 B 点温度随预热温度变化数据表

表12 B 点温度随预热温度变化数据表

表13 B 点温度随预热温度变化数据表

综上所述，造成恒温反应器床层温度升高的原因为：酸气H2S 浓度偏低、酸气流量偏高、汽包压力偏低、预热温度偏低。

因此当恒温反应器床层温度升高时，应增大天然气净化装置脱硫塔低层数进塔流量，减小高层数进塔流量，降低溶液循环量从而使进硫磺回收装置的酸气H2S 浓度升高、流量降低，同时提高酸气预热温度和汽包压力。

恒温反应器床层设计温度为260 ℃，壳体设计温度为300 ℃。在实际生产运行过程中，不仅要做好床层温度的调节和控制，壳体器壁温度的调控同样重要。从恒温反应器的设计结构可以看出，当热点位置外移超出最佳换热区域时，会导致器壁温度升高甚至超温。根据上述各控制因素对热点位置移动的影响可知，造成恒温反应器器壁温度升高的原因与床层温度升高的原因相反，分别为：酸气H2S 浓度偏高、酸气流量偏低、汽包压力偏高、预热温度偏高。

因此当恒温反应器器壁温度升高时，应增大天然气净化装置脱硫塔高层数进塔流量，减小低层数进塔流量，增大溶液循环量从而使酸气H2S 浓度降低、流量升高，同时降低酸气预热温度和汽包压力。

4 结论

酸气H2S 浓度、酸气流量、汽包压力、酸气预热温度是控制恒温反应器床层及器壁温度的核心因素，通过调控这些因素将反应器热点位置控制在最佳换热区域可有效防止超温。防止恒温反应器床层超温的控制方法为：升高酸气H2S 浓度、降低酸气流量、提高酸气预热温度和汽包压力。防止恒温反应器器壁超温的控制方法为：降低酸气H2S 浓度、提高酸气流量、降低酸气预热温度和汽包压力。