醫(yī)藥化工設(shè)備下置式測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善的有效性探討

鄭付同

（正大天晴藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 連云港 222006）

溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)鍵參數(shù)之一，大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速率隨溫度的升高而增加，根據(jù)范特霍夫規(guī)則（vant Hoff rule），對(duì)于均相熱化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)溫度每升高10 K，其反應(yīng)速率變?yōu)樵瓉?lái)的2～ 4 倍，由此可見(jiàn)，反應(yīng)溫度檢測(cè)的有效性和及時(shí)性影響化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)程度，溫度監(jiān)測(cè)失效導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)速率失控，可引起化學(xué)反應(yīng)失控爆炸[1]，此類安全事故在國(guó)內(nèi)外化工行業(yè)中時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，應(yīng)引起高度的關(guān) 注。

常見(jiàn)的反應(yīng)釜測(cè)溫方式有兩種，即上置式測(cè)溫和下置式測(cè)溫。反應(yīng)釜測(cè)溫裝置示意圖如圖1 所示，上置式測(cè)溫裝置是反應(yīng)釜上部設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)（圖1中A 點(diǎn)），安裝有搪玻璃溫度計(jì)套管，套管內(nèi)加裝導(dǎo)熱油或其他導(dǎo)熱介質(zhì)，溫度計(jì)插入套管內(nèi)，測(cè)量反應(yīng)釜內(nèi)料體溫度。下置式測(cè)溫裝置，則是反應(yīng)釜下部接口設(shè)置溫度測(cè)量點(diǎn)（圖1 中B 點(diǎn)），采用搪玻璃溫度計(jì)套管伸入釜內(nèi)，套管內(nèi)安裝鉑電阻，檢測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)料液溫度。

以醫(yī)藥化工行業(yè)最常用的反應(yīng)設(shè)備搪玻璃反應(yīng)釜為例，上置式測(cè)溫裝置存在比較明顯的缺陷，即溫度計(jì)套管的位置只能設(shè)置在攪拌裝置的上方。為了避免溫度計(jì)套管與攪拌器產(chǎn)生碰撞，套管在伸入反應(yīng)釜內(nèi)部的時(shí)候，必須與攪拌器的運(yùn)行軌跡保留一定的空間。在此情況下，如果釜內(nèi)料液體積較少，無(wú)法達(dá)到溫度計(jì)套管的最低點(diǎn)，測(cè)溫裝置將失去其測(cè)溫能力。另外，對(duì)于非均相化學(xué)反應(yīng)，如果攪拌、混合不充分，上測(cè)溫溫度計(jì)僅能檢測(cè)反應(yīng)料液上部溫度，也無(wú)法真實(shí)反映反應(yīng)過(guò)程的溫度變化，從而無(wú)法對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行有效控制[2]。因此，近年以來(lái)，下測(cè)溫裝置在反應(yīng)釜上的安裝應(yīng)用越來(lái)越普遍。

下測(cè)溫裝置確實(shí)能解決上測(cè)溫裝置存在的缺陷，但自身也存在一定的問(wèn)題，且目前國(guó)家對(duì)于化工自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，很多企業(yè)開(kāi)始在生產(chǎn)設(shè)備上采用DCS 溫度自控系統(tǒng)，自控系統(tǒng)將根據(jù)溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行。在這種情況下，溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性對(duì)于自控反應(yīng)的成功至關(guān)重要，因此需對(duì)該測(cè)溫方式進(jìn)行充分的研究并對(duì)存在的問(wèn)題提出針對(duì)性的解決方案。

1 下測(cè)溫裝置溫度準(zhǔn)確性驗(yàn)證

驗(yàn)證反應(yīng)釜下測(cè)溫裝置檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)，與釜內(nèi)料液實(shí)際溫度的偏差，證實(shí)測(cè)溫的準(zhǔn)確性[3]。方案如下：在釜內(nèi)加入適量自來(lái)水，檢測(cè)釜內(nèi)溫度計(jì)套管頂部溫度，對(duì)比測(cè)溫裝置顯示溫度，獲得溫度偏差數(shù)據(jù)。

1.2 驗(yàn)證過(guò)程

按照既定的驗(yàn)證方案開(kāi)始驗(yàn)證，記錄測(cè)量時(shí)間、料液實(shí)際溫度和溫度計(jì)顯示溫度，獲得反應(yīng)釜下測(cè)溫溫度準(zhǔn)確性驗(yàn)證數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 反應(yīng)釜下測(cè)溫溫度準(zhǔn)確性驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.1 Verification data of the accuracy of temperature measurement under the reactor

1.3 結(jié)果分析

整理檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)，分析溫度偏差，觀察升溫過(guò)程，繪制溫度變化曲線圖，如圖2 所示，可得以下結(jié)論。

圖2 反應(yīng)釜下測(cè)溫溫度變化曲線Fig.2 Temperature change curve of temperature measurement in reaction kettle

1.3.1 反應(yīng)釜溫度檢測(cè)，溫度變化與時(shí)間線性相關(guān)，在換熱系數(shù)、介質(zhì)、攪拌等不變的情況下，升溫速率幾乎保持不變。

1.3.2 反應(yīng)溫度檢測(cè)嚴(yán)重滯后，溫度檢測(cè)不及時(shí)，在升溫過(guò)程中，實(shí)際溫度與檢測(cè)溫度差值最高可達(dá)到20.7℃。

1.3.3 溫度檢測(cè)不準(zhǔn)確，存在一定的偏差，最終穩(wěn)定溫度，檢測(cè)溫度依然低于實(shí)際溫度5℃以上。

省內(nèi)陸上天然氣資源匱乏，預(yù)計(jì)2020年、2030年，廣東省內(nèi)天然氣供應(yīng)能力分別為115億m3和215億m3。省外天然氣主要來(lái)源于卡塔爾、澳大利亞、中亞、新疆等地區(qū)，天然氣供應(yīng)充足。廣東省天然氣輸送通道主要包括省內(nèi)LNG接收站、管網(wǎng)通道和少量槽車輸送，接收及輸送能力強(qiáng)。

2 下測(cè)溫裝置溫度偏差原因分析

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，反應(yīng)釜下測(cè)溫裝置在實(shí)際使用過(guò)程中，存在的問(wèn)題包括測(cè)溫不及時(shí)，不能及時(shí)反映釜內(nèi)料液的實(shí)際溫度；測(cè)溫不準(zhǔn)確，在溫度變化過(guò)程中，存在較大的溫度誤差，即便是長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定期后，溫度計(jì)顯示與實(shí)際溫度依然存在一定的偏差。對(duì)反應(yīng)釜下測(cè)溫裝置（如圖3 所示）進(jìn)行結(jié)構(gòu)剖析與原理分析，結(jié)合對(duì)測(cè)溫裝置傳質(zhì)傳熱測(cè)溫過(guò)程的分析，探尋導(dǎo)致上述溫度偏差的原因。

圖3 反應(yīng)釜下測(cè)溫裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of temperature measuring device under reaction kettle

2.1 熱量從反應(yīng)液傳熱到溫度計(jì)套管，再經(jīng)套管傳遞到溫度計(jì)鉑電阻，料液、套管等導(dǎo)熱性能不同，傳熱過(guò)程本身存在一定的滯后性。

2.2 在溫度計(jì)套管內(nèi)，溫度計(jì)鉑電阻與套管內(nèi)壁之間存在一定的空隙，空氣傳熱系數(shù)相對(duì)降低，阻礙了傳熱過(guò)程，導(dǎo)致了測(cè)溫的滯后性與溫度偏差[4]。

3 對(duì)下測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)性改進(jìn)

3.1 針對(duì)上述引起溫度偏差的原因進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，其措施包括以下內(nèi)容：

3.1.1 改進(jìn)溫度計(jì)套管，在搪玻璃溫度計(jì)套管的頂端，增加符合設(shè)備耐腐蝕性、耐久性等特殊要求的鉭釘[5]，20 ℃ 時(shí)的熱導(dǎo)率57.5 W/mK，以提高傳熱效率。

3.1.2 將測(cè)溫鉑電阻定位安裝，安裝時(shí)將鉑電阻直接與套管頂部鉭釘接觸，提高傳熱效率。

3.2 采取上述改善措施后，再次驗(yàn)證測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在本次驗(yàn)證試驗(yàn)中，我們將應(yīng)用常用的加熱、降溫方式，確認(rèn)實(shí)際溫度與檢測(cè)溫度之間的關(guān)系，試驗(yàn)得到以下數(shù)據(jù)

（1）冷凍水降溫，溫度準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 冷凍水降溫溫度準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)Tab.2 Accuracy data of chilled water during cooling

（2）熱水升溫，溫度準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 熱水升溫溫度準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)Tab.3 Accuracy data of hot water during heating

3.3 改進(jìn)后溫度準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)分析

采取上述改善措施后，溫度檢測(cè)有效性和及時(shí)性有較大提高，溫度檢測(cè)在穩(wěn)定期后，料液實(shí)際溫度與溫度計(jì)顯示溫度的偏差明顯降低，但是溫度變化過(guò)程中的溫度偏差依然較大，仍無(wú)法滿足使用需求，需做進(jìn)一步改善優(yōu)化。

4 下測(cè)溫裝置的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化

模擬真實(shí)生產(chǎn)狀態(tài)下，設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中的的溫度檢測(cè)，全程開(kāi)啟反應(yīng)釜攪拌裝置，再現(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)料液溫度傳質(zhì)傳熱過(guò)程，方案如下：

4.1 溫度計(jì)套管內(nèi)完全填充導(dǎo)熱硅脂，并加以密閉，保證無(wú)空氣、無(wú)間隙，提高傳熱效率。

4.2 采取進(jìn)一步的技術(shù)改造措施后，繼續(xù)驗(yàn)證溫度檢測(cè)準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)如下：

（1）熱水加熱，設(shè)置溫度60 ℃，每10 min 記錄溫度，如表4 所示。

表4 熱水加熱溫度準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)Tab.4 Accuracy data of hot water during heating

（2）冷凍水降溫，設(shè)置溫度0 ℃，每10 min 記錄溫度，如表5 所示。

表5 冷凍水降溫溫度準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)Tab.5 Accuracy data of chilled water during cooling

4.3 數(shù)據(jù)分析

4.3.1 從溫度數(shù)據(jù)可以看出，采取上述改善措施后，熱水加熱，冷凍水降溫過(guò)程，溫度檢測(cè)顯示數(shù)值與料液實(shí)際溫度幾乎一致，且能及時(shí)檢測(cè)溫度，真實(shí)反映反應(yīng)釜內(nèi)料液溫度實(shí)際情況。

4.3.2 將以上數(shù)據(jù)整理繪圖，獲得熱水加熱、冷凍水降溫的溫度變化曲線，如圖4、圖5，從圖表中可見(jiàn)，各種加熱、降溫介質(zhì)情況下，溫度計(jì)顯示溫度與實(shí)際溫度曲線的斜率幾乎一致，即溫度變化速率幾乎一致，這也證明了溫度檢測(cè)裝置對(duì)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

圖4 熱水升溫溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curve of hot water heating process

圖5 冷凍水降溫溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of chilled water cooling process

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，普通生產(chǎn)設(shè)備測(cè)溫裝置的測(cè)溫存在較大的延遲與誤差，對(duì)溫度檢測(cè)裝置采取改善措施后，下測(cè)溫溫度計(jì)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物料的實(shí)際溫度，真實(shí)反映生產(chǎn)過(guò)程的溫度變化。改善措施包括改造溫度計(jì)套管，在搪瓷溫度計(jì)套管頂部增加鉭釘傳熱部件，提高物料傳熱效率；定位安裝鉑電阻測(cè)溫傳感器，在溫度計(jì)安裝過(guò)程中，盡可能地將鉑電阻貼近鉭釘，提高鉭釘與鉑電阻傳感器的換熱效率；改善溫度計(jì)套管的安裝方式，套管內(nèi)部完全填充導(dǎo)熱硅脂，提高套管與鉑電阻傳感器的換熱效率 等[6]。

采取上述優(yōu)化改進(jìn)措施后，溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的穩(wěn)定性、安全性得到了有效保障。從而能夠有效地控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中溫度因素帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高化工生產(chǎn)過(guò)程的本質(zhì)安全水平，保障醫(yī)藥化工企業(yè)正常穩(wěn)定生產(chǎn)。