柔性多點(diǎn)溫度計(jì)檢測(cè)列管式固定床反應(yīng)器溫度的應(yīng)用分析

翁逸卿

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，物料在催化劑的作用下在反應(yīng)器中發(fā)生化學(xué)和物理變化[1]，反應(yīng)器控制方案及控制參數(shù)的選擇對(duì)反應(yīng)過程起著重要作用。

化學(xué)反應(yīng)的直接質(zhì)量指標(biāo)需采用分析儀表進(jìn)行檢測(cè)，但由于檢測(cè)直接質(zhì)量指標(biāo)的成分分析儀表價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高和分析時(shí)間滯后等方面的原因，工業(yè)裝置中很少采用。鑒于化學(xué)反應(yīng)的一大特點(diǎn)是反應(yīng)的同時(shí)伴隨有熱效應(yīng)[1]，因此，溫度參數(shù)作為監(jiān)控反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)的間接質(zhì)量指標(biāo)，在化工生產(chǎn)中被廣泛采用[2]?；どa(chǎn)中反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有多種類型，本文針對(duì)列管式固定床反應(yīng)器特點(diǎn)，闡述其溫度檢測(cè)儀表的正確選型和安裝要求。以下以某化工生產(chǎn)裝置的列管式固定床反應(yīng)器為例展開討論。

1 溫度計(jì)選型

1.1 溫度元件形式

通常選用的溫度測(cè)量元件有熱電偶和熱電阻兩種形式[3]，由于本文討論的催化劑列管直徑很小（25 mm），反應(yīng)溫度維持在400℃～600℃之間，所以，對(duì)溫度計(jì)的選型提出了很高的要求。熱電偶體積更小、更耐高溫的特性使它更適合作為列管式固定床反應(yīng)器的測(cè)溫元件[4]。

1.2 溫度計(jì)結(jié)構(gòu)

溫度計(jì)按物理結(jié)構(gòu)分類，可以分為剛性溫度計(jì)與柔性溫度計(jì)。

1.2.1 剛性溫度計(jì)

剛性溫度計(jì)如圖1所示。選用剛性溫度計(jì)測(cè)量列管內(nèi)溫度，無疑必須在反應(yīng)器頂端按測(cè)量的列管數(shù)量設(shè)置相同數(shù)量的溫度計(jì)管口才能進(jìn)行溫度檢測(cè)，由于需要檢測(cè)的列管數(shù)量太多（100多個(gè)點(diǎn)），勢(shì)必會(huì)在設(shè)備上開過多的連接口，顯然這種方法是不可行的。為了減少設(shè)備上開口的數(shù)量，選用剛性溫度計(jì)是不可行的。

圖1 剛性溫度計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 柔性多點(diǎn)溫度計(jì)

柔性多點(diǎn)溫度計(jì)的柔性特點(diǎn)，以及單支溫度計(jì)內(nèi)有多點(diǎn)測(cè)溫元件的特性，提供了解決列管式固定床反應(yīng)器溫度檢測(cè)難題的新思路，為我們實(shí)現(xiàn)對(duì)列管式固定床反應(yīng)器溫度的高精度檢測(cè)提供了簡(jiǎn)單易行的解決方案。

選用柔性多點(diǎn)溫度計(jì)減少了設(shè)備的開口數(shù)量，又能達(dá)到檢測(cè)更多溫度點(diǎn)的目的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柔性多點(diǎn)溫度計(jì)結(jié)構(gòu)圖

每支柔性多點(diǎn)溫度計(jì)由長度不同的熱電偶絲組成，圖2中的①為熱電偶絲，熱電偶絲在每支溫度計(jì)內(nèi)的分布如圖3所示。熱電偶絲不需要外部保護(hù)管，它的柔性設(shè)計(jì)，可使其在一定曲率半徑下彎曲，便于安裝在不同位置。

圖3 熱電偶絲的分布

2 應(yīng)用舉例

2.1 催化劑列管溫度檢測(cè)

圖4所示，列管式固定床反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)在幾萬根裝滿催化劑的列管內(nèi)（圖中的催化劑列管數(shù)量?jī)H作示意），反應(yīng)物料通過反應(yīng)器底部進(jìn)入列管，由于列管數(shù)量有幾萬根，為了測(cè)量管式固定床的溫度，要調(diào)節(jié)溫度測(cè)量位置至反應(yīng)熱點(diǎn)或冷點(diǎn)，使所測(cè)管子的溫度能夠代表其他管子的反應(yīng)情況[5]，圖4中催化劑列管內(nèi)的檢測(cè)點(diǎn)代表某組列管相應(yīng)溫度。

熱電偶絲安裝與普通熱電偶相比困難很多，因此，每根熱電偶絲頂部都焊有牽引鋼絲，牽引鋼絲將熱電偶絲從反應(yīng)器底部引入，穿入對(duì)應(yīng)的催化劑列管，然后從反應(yīng)器頂部引出并固定，使熱電偶絲固定于催化劑列管中央，檢測(cè)反應(yīng)器各個(gè)部位的溫度。熱電偶絲的測(cè)溫點(diǎn)位置各自獨(dú)立，并且采用了鏡像安裝的方式，檢測(cè)反應(yīng)器溫度分布是否均勻。即使在開車過程中有某幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)失效，如偶絲斷裂，也不會(huì)影響對(duì)整個(gè)反應(yīng)器溫度的檢測(cè)。

圖4 催化劑列管熱電偶絲安裝示意圖

3 提高溫度計(jì)可靠性的特殊設(shè)計(jì)

3.1 密封

由于反應(yīng)器屬于高溫設(shè)備，柔性多點(diǎn)溫度計(jì)過程連接處的密封效果以及耐高溫材料也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

3.1.1 密封措施

柔性多點(diǎn)溫度計(jì)的過程接口處采用多孔金屬格蘭密封，格蘭固定件將多點(diǎn)測(cè)溫元件包在格蘭中，用特殊的軟密封劑將測(cè)溫元件與格蘭固定件之間的接縫填實(shí)，防止氣體和液體的溢出，并固定測(cè)溫元件，防止其在過程連接處的移動(dòng)，如圖2中②所示。圖2中③采用的雙法蘭連接結(jié)構(gòu)，再增加了一道密封“屏障”。

3.1.2 密封材料

在圖2中④所示的過程接口處使用特殊的耐高溫、密封材料進(jìn)行填實(shí)。現(xiàn)在常用的幾種耐高溫密封材料技術(shù)如下：

（1）銅焊

銅焊的特點(diǎn)是焊劑熔點(diǎn)較高，它是一種高強(qiáng)度、無泄漏的連接方法。外保護(hù)管與法蘭連接處采用銅焊，將焊劑在高溫下溶解后進(jìn)行密封填實(shí)。這種方法的連接強(qiáng)度高，并且可以承受最高的極限溫度工況。

（2）氧化鎂粉

在法蘭連接處嵌入密實(shí)的氧化鎂粉，氧化鎂粉的熔點(diǎn)為2 852℃，體現(xiàn)了其高度耐火絕緣性能，同時(shí)，增加耐壓密封性。

（3）高溫水泥

高溫水泥有極強(qiáng)的耐高溫性以及穩(wěn)定性，所以，也可作為耐高溫密封材料填充于法蘭連接處，這種填充方式提高了過程接口處的耐高溫性以及防泄漏性。

3.2 二次壓力保護(hù)

圖2中的熱電偶絲在法蘭的連接處套有護(hù)線管，護(hù)線管起到保護(hù)熱電偶絲與法蘭密封的作用。圖2中⑥為二次泄漏檢測(cè)壓力表，對(duì)熱電偶絲與外部電纜接口處進(jìn)行壓力測(cè)試，檢測(cè)護(hù)線管與熱電偶絲的連接處是否存在泄漏，起到二次壓力保護(hù)的作用。

4 柔性多點(diǎn)溫度計(jì)與常用剛性溫度計(jì)的使用比較

（見表）

表 柔性多點(diǎn)溫度計(jì)與常用剛性溫度計(jì)的使用比較

5 結(jié)束語

采用柔性多點(diǎn)溫度計(jì)檢測(cè)列管式固定床反應(yīng)器溫度，通過一個(gè)過程接口引入多點(diǎn)測(cè)溫元件并固定在不同測(cè)量位置而獲得多個(gè)溫度點(diǎn)的信號(hào)。此設(shè)計(jì)減少了反應(yīng)器上的過程接口，提高了過程控制的安全性和可靠性，減少停車維護(hù)時(shí)間，節(jié)省安裝工程成本。柔性溫度計(jì)的柔性特性還能便于成卷運(yùn)輸，節(jié)省運(yùn)輸成本柔性多點(diǎn)溫度計(jì)作為管式固定床反應(yīng)器的測(cè)溫儀表，將在化工生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

[1] 王漢松.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3卷）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002,1821-1832.

[2] 何衍慶，黎冰，黃海燕.工業(yè)生產(chǎn)過程控制.第二版[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010,227.

[3] 陸德民.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè).第三版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000,43-53.

[4] 王漢松.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第4卷）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002,700.

[5] 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè).上冊(cè),第四版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009,335-353.