与轴向变换反应器的结构不同，轴径向或全径向变换反应器内部设置的气体分布器及气体收集器多为外筒分布器及中心集气管，工艺气体进入变换反应器内，依靠外筒分布器进行二次分布，使大部分或全部气体沿变换反应器径向流动，经过径向催化剂床层反应后，沿中心集气管汇集至变换反应器出口。与轴向变换反应器相比，该类型结构具有气体流通截面积大、流通路径短、压降低^[4]、壳体设计温度低、设备投资少、变换反应器内单位体积催化剂转化率高等优点。

从气流分布看，轴径向与全径向变换反应器唯一不同的是轴径向变换反应器内有一部分工艺气为轴向流动，即存在一个有效的催化剂“轴峰”(轴径向变换反应器内顶部轴向段催化剂峰高)；径向变换反应器则是在催化剂床层顶部设置密封盖板，强制工艺气体在变换反应器内部全部呈径向流动，无催化剂“轴峰”。

无论轴径向结构还是全径向结构，均需要进行结构强度及流场的专利设计。在一定结构强度下，借助流场分布模拟工具，对外分布器及中心集气管进行合理开孔设计，达到气流均匀分布并尽可能减少气流分布“死区”，在均匀填充的催化剂作用下达到高效催化。由轴径向及全径向变换反应器的结构及气流分布(见图 1和图 2)可知：在同样的工艺控制参数、同性能和同等催化剂初装量的条件下，只要开孔设计合理，因气体流通路径基本相同，理论上投运初期单位体积催化剂转化CO的量基本一致，进出口压降也基本一致。因此，仅从结构及气流分布的角度考虑，无法直接评判两种结构形式变换反应器的优劣，必须结合催化剂长周期运行效果进行综合比较。

图 1

轴径向变换反应器结构示意及气流分布

图 2

全径向变换反应器结构示意及气流分布

根据工艺气特点及变换率要求，设计变换反应器直径为3 600 mm，外分布筒直径为3 400 mm，催化剂装填量为88 m³。

以国内典型工业装置的运行工艺条件为例，其中内蒙古某企业一段变换反应器为轴径向结构，采用冲孔板开孔；湖北某企业一段变换反应器为全径向结构，同样采用冲孔板开孔。两家企业的工艺条件相同，变换反应器直径及催化剂装填量均相同，且采用同一厂家同型号的催化剂，催化剂设计寿命均为3 a。2家企业的一段变换反应器首次投运至运行1 a的数据分别见表 1、表 2。

比较表 1、表 2的数据可知：满负荷工况下，轴径向与全径向变换反应器进出口压降基本相当，但出口变换气中CO含量却截然不同。轴径向变换反应器在催化剂投运1 a内，出口变换气中CO体积分数均低于设计指标(5.5%)，但出口平衡温距逐渐增大，出口变换气中CO体积分数呈逐渐上升的趋势。全径向变换反应器在催化剂投运1个月时，出口变换气中CO含量及平衡温距与轴径向变换反应器的相当；投运至3个月时，出口变换气中CO含量出现超标，平衡温距已升至61 ℃，反应状态较差；投运至12个月时，入口工艺气体温度提至288 ℃，出口变换气中CO体积分数上升至7.85%，已处于严重超标状态，平衡温距达到了111 ℃，整炉催化剂的表现很差。

两套CO变换装置在投运后均出现CO转化率下降等情况，其中全径向变换反应器投运3个月就出现了CO含量超标的现象，投运12个月出现了CO含量严重超标的问题。结合运行数据，两套装置变换反应器的催化剂床层温度分布很均匀，运行2 a来，催化剂床层热点温度始终未移至变换反应器出口，表明变换反应器内径向段催化剂仍具有较好的催化活性。但提高入口工艺气温度后，全径向变换反应器出口温度与热点温度的温差却越来越大，表明工艺气在催化剂床层中很可能出现了走“短路”的情况，最终导致变换反应器出口变换气中CO含量升高甚至超标。

为明确原因及优化运行指标，在运行2 a后，对两套装置的变换反应器均进行了开炉检查，结果发现：①变换反应器内催化剂颗粒均完整，未出现粉碎、结块等异常现象；②催化剂均出现了下沉现象，平均下沉高度均在470 mm左右，其中全径向结构为非均匀下沉，呈周边低而中间高的“小山坡”现象。

结合具体的变换反应器结构尺寸分析，催化剂下沉后，对于轴径向结构的变换反应器，虽然所有工艺气体仍然经过催化剂床层，但催化剂“轴峰”已明显缩短，由初始装填的900 mm缩短至430 mm，而径向段气体流通路径仍为1 400 mm，工艺气体经过轴径向外分布筒后，因轴向段催化剂变薄、压降变小，更多的气流将通过轴向段，对于轴向段在更多气量及更少催化剂量的情况下，必然会出现CO转化不完全的现象，即达不到理想的CO反应平衡，最终导致变换反应器出口变换气中CO含量升高，且CO含量升高幅度随轴向段催化剂层变薄逐渐加剧，实际运行情况也佐证了这一点。

对于全径向结构的变换反应器，由于其根本无催化剂“轴峰”，中心集气管开孔位置距离催化剂顶端表面仅270 mm，在催化剂未沉降前，顶部催化剂基本为“死区”，变换反应器内的催化剂无法得到100%利用，但因运行初期催化剂活性较佳，仍能获得很高的CO转化率；随着运行时间的延长，催化剂逐渐沉降以后，一方面会出现径向气流“水平”与“斜向”的混合流，这种不均匀的混合流在催化剂表面扰动，极易导致催化剂出现不均匀下沉，这与开炉检查发现的“小山坡”现象基本吻合；另一方面，当催化剂沉降高度超过270 mm后，部分气体将不经过催化剂床层直接到达变换反应器出口，随运行时间的延长，催化剂沉降加剧，变换反应器出口变换气中的CO含量将越来越高，实际运行数据也很好地佐证了这一点。

为弥补催化剂沉降造成CO转化率下降的问题，采取直接补充催化剂的方法，避免气流继续走“短路”。补充催化剂后，两套变换装置的变换反应器出口变换气中CO含量均下降至设计值以内，优化效果明显，证实了因气流走“短路”导致变换反应器出口变换气中CO含量超标的推测。补充催化剂后的变换反应器运行数据见表 3。

由表 3可知：补充催化剂后运行的24个月内，轴径向结构与全径向结构的变换反应器出口变换气中CO含量基本相当，均在设计要求的指标范围内；但运行24个月后，全径向变换反应器出口变换气中CO含量又开始出现超标现象，而轴径向变换反应器无此现象。分析原因，很可能是补充催化剂后，随着运行时间的延长，全径向变换反应器内的催化剂又出现了新的沉降，重新出现少量气流走“短路”的现象。