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,但由于檢測直接質(zhì)量指標(biāo)的成分分析儀表價格昂貴、維護(hù)成本高和分析時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,本文針對列管式固定床反應(yīng)器特點(diǎn),闡述其溫度檢測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。
通常選用的溫度測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)器的測溫元件[4]。
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)測量列管內(nèi)溫度,無疑必須在反應(yīng)器頂端按測量的列管數(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,由于需要檢測的列管數(shù)量太多(100多個點(diǎn)),勢必會在設(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)器溫度檢測難題的新思路,為我們實(shí)現(xiàn)對列管式固定床反應(yīng)器溫度的高精度檢測提供了簡單易行的解決方案。
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
2.1 催化劑列管溫度檢測
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)量僅作示意),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,為了測量管式固定床的溫度,要調(diào)節(jié)溫度測量位置至反應(yīng)熱點(diǎn)或冷點(diǎn),使所測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,檢測反應(yīng)器各個部位的溫度。熱電偶絲的測溫點(diǎn)位置各自獨(dú)立,并且采用了鏡像安裝的方式,檢測反應(yīng)器溫度分布是否均勻。即使在開車過程中有某幾個測溫點(diǎn)失效,如偶絲斷裂,也不會影響對整個反應(yīng)器溫度的檢測。
圖4 催化劑列管熱電偶絲安裝示意圖
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)測溫元件包在格蘭中,用特殊的軟密封劑將測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,并固定測溫元件,防止其在過程連接處的移動,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)?,F(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,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。
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為二次泄漏檢測壓力表,對熱電偶絲與外部電纜接口處進(jìn)行壓力測試,檢測護(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。
(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
采用柔性多點(diǎn)溫度計(jì)檢測列管式固定床反應(yīng)器溫度,通過一個過程接口引入多點(diǎn)測溫元件并固定在不同測量位置而獲得多個溫度點(diǎn)的信號。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(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.石油化工自動控制設(shè)計(jì)手冊.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(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.上冊,第四版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009,335-353.