一种烃油加氢反应装置，包括第一反应器和第二反应器，其中第一反应器内由上至下设置溶氢段和至少一段催化剂床层，反应器顶部的原料入口与设置在溶氢段内的喷淋式液体分布器连通，溶氢段设有气相入口，第一反应器底部出口经出口流量调节阀(9)与第二反应器顶部的原料入口连通，还设有补充氢气管线(4)连通第二反应器，第二反应器内设有催化剂床层，第二反应器底部出口连通气液分离设备(12)。本实用新型提供的烃油加氢处理系统可根据加氢过程传质控制步骤的差异进行灵活调整，提高加氢反应效率。