李欣龍

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

隨著精細(xì)化工和有機(jī)化工的發(fā)展，列管反應(yīng)器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。列管反應(yīng)器返混小，因而容積效率(單位容積生產(chǎn)能力)高，對(duì)要求轉(zhuǎn)化率較高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場(chǎng)合尤為適用。列管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型可分為單管式、多管式、夾套式等[2]。文中所述的反應(yīng)器為列管式夾套反應(yīng)器。

列管反應(yīng)器內(nèi)的溫度與轉(zhuǎn)化率、副反應(yīng)率有直接關(guān)系，溫度太高還可能引起爆炸，因此其溫度的測(cè)量關(guān)乎生產(chǎn)的質(zhì)量與安全，十分重要[3]。

1 工藝介紹

某項(xiàng)目中應(yīng)用的列管反應(yīng)器為高約10m、直徑約6m、質(zhì)量約250t的多管式夾套反應(yīng)器，其中有2萬(wàn)余根反應(yīng)管。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 列管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

正丁烷和空氣的混合物從反應(yīng)器底部A口進(jìn)入，通過(guò)反應(yīng)管在催化劑的作用下生成馬來(lái)酸酐。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度約為400℃。使用熔鹽帶走反應(yīng)熱，熔鹽從反應(yīng)器殼程C口進(jìn)入，D口排出。

反應(yīng)在爆炸極限內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)器入口正丁烷的體積分?jǐn)?shù)是1.75%，正丁烷的爆炸極限為1.6%～8.5%。反應(yīng)器入口溫度為180℃，出口為440℃，而正丁烷引燃溫度為287℃。在反應(yīng)管內(nèi)從下至上隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正丁烷的體積分?jǐn)?shù)在不斷下降，溫度在不斷上升。當(dāng)溫度上升至287℃，而正丁烷體積分?jǐn)?shù)還處在爆炸極限內(nèi)時(shí)極易引起爆炸?？梢?jiàn)該反應(yīng)在爆炸的邊緣進(jìn)行，溫度的測(cè)量與控制十分重要。

反應(yīng)器內(nèi)共需要測(cè)量72點(diǎn)不同位置不同高度的溫度，代表反應(yīng)器內(nèi)的溫度場(chǎng)[4]。溫度計(jì)從反應(yīng)器底部的6個(gè)T口插入，每個(gè)T口安裝1套12點(diǎn)溫度計(jì)，且每個(gè)T口設(shè)置1個(gè)氮?dú)獯祾呖贜，目的是防止正丁烷在法蘭接管內(nèi)積聚引起爆炸。

2 多點(diǎn)熱電偶的選擇

該項(xiàng)目中，共需測(cè)量反應(yīng)器內(nèi)的72點(diǎn)溫度，采用6組12點(diǎn)鎧裝K型熱電偶[5]實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 12點(diǎn)鎧裝K型熱電偶結(jié)構(gòu)示意

理論上鎧裝熱電偶的直徑越細(xì)越好，這樣對(duì)催化劑的分布影響越小，測(cè)量管內(nèi)的溫度更接近其他反應(yīng)管內(nèi)的溫度，然而熱電偶太細(xì)其強(qiáng)度會(huì)降低，最后選定鎧裝熱電偶的直徑為1.6mm。

每根熱電偶根據(jù)其測(cè)量位置的不同其長(zhǎng)度有所不同，計(jì)算方法如下：熱電偶長(zhǎng)度=法蘭接管長(zhǎng)度+接管底部到反應(yīng)管底部直線距離+插入反應(yīng)管中深度×1.1+200(mm)。由于熱電偶在反應(yīng)管內(nèi)有一定的彎曲，因此乘以1.1倍。為了使熱電偶保持一定的松弛度增加了200mm[6]。

為了便于安裝，在熱電偶末端焊接一根6m長(zhǎng)的直徑為1mm的不銹鋼絲。在安裝時(shí)用不銹鋼絲吊著熱電偶到合適位置。不銹鋼絲與熱電偶用銀焊接，因?yàn)殂y具有良好的惰性，不會(huì)污染催化劑[7-8]。

由于控制室距離反應(yīng)器較遠(yuǎn)，為了提高測(cè)量精度，采用現(xiàn)場(chǎng)變送器將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)。另外反應(yīng)器的溫度很高，變送器箱需要與其保持一定距離，所以中間選用了10m長(zhǎng)的波紋管保護(hù)多芯電纜[7]。

最后注意在熱電偶上和導(dǎo)線上需標(biāo)好位號(hào)，防止現(xiàn)場(chǎng)不易找到其對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 熱電偶的安裝

熱電偶的安裝和催化劑填裝同時(shí)進(jìn)行，由于反應(yīng)器內(nèi)有2萬(wàn)余根反應(yīng)管，必須做好計(jì)劃、認(rèn)真實(shí)施才能避免錯(cuò)誤。將反應(yīng)管劃分為6個(gè)扇形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一組12點(diǎn)熱電偶，在需要安裝熱電偶的反應(yīng)管上用彩筆做出標(biāo)記，不同區(qū)域用不同的顏色表示。鎧裝熱電偶在反應(yīng)管內(nèi)的安裝如圖3所示。

圖3 鎧裝熱電偶在反應(yīng)器中安裝示意

安裝步驟：1)在反應(yīng)管底部擰入彈簧；2)將鎧裝熱電偶插入反應(yīng)管中，提拉不銹鋼絲使熱電偶插入到標(biāo)記位置；3)從頂部填裝瓷球；4)在瓷球上填裝催化劑；5)到反應(yīng)管頂部時(shí)再填裝瓷球；6)在頂部擰入彈簧；7)剪斷不銹鋼絲。

彈簧可以保持催化劑的緊實(shí)度，瓷球用于防止催化劑漏下[9]。

4 多點(diǎn)溫度的監(jiān)控

反應(yīng)器內(nèi)72點(diǎn)溫度在DCS上進(jìn)行監(jiān)控與報(bào)警，并記錄在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。需要實(shí)時(shí)計(jì)算的內(nèi)容如下：1)判斷最高溫度及其位置；2)判斷第二高溫度及其位置；3)72點(diǎn)平均溫度；4)平均溫度與最高溫度之差。

如果最高溫度太高，則需要降低正丁烷的體積分?jǐn)?shù)，或者加入蒸汽以降低反應(yīng)速率。如果最高溫度太低，則可以增加正丁烷體積分?jǐn)?shù)或者表示催化劑已經(jīng)老化需要重新更換。如果平均溫度與最高溫度差別太大則很可能是反應(yīng)管破漏，用于導(dǎo)熱的熔鹽漏進(jìn)反應(yīng)管中。

5 結(jié)束語(yǔ)

列管反應(yīng)器內(nèi)部溫度的測(cè)量和溫度的空間分布是反應(yīng)器的關(guān)鍵參數(shù)[10]。文中介紹的72點(diǎn)熱電偶測(cè)量方法，結(jié)構(gòu)合理安裝簡(jiǎn)便，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試達(dá)到了工藝要求，具有良好的效果，希望可以對(duì)類似的溫度測(cè)量場(chǎng)合起到借鑒的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳尚偉.列管式固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)的限制條件[J].石油化工，2004，33(02)：141-144.

[2]ANDRZEJ S，薛冠申.列管式固定床反應(yīng)器模擬與設(shè)計(jì)進(jìn)展[J].化學(xué)工程，1990，18(06)：62-72.

[3]趙增慧，夏麗.列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)探討[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，8(02)：56-60.

[4]王京慧.多點(diǎn)鎧裝熱電偶在加氫反應(yīng)器床層溫度測(cè)量中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2009，45(06)：59-62.

[5]劉合潤(rùn)，李智勇，畢丹.多點(diǎn)熱電偶測(cè)溫裝置[J].上海機(jī)床，1994(04)：59-60.

[6]王洪，張丹紅.多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制技術(shù)，2009(12)：84-86.

[7]劉洋，吳雙，趙永剛.熱電偶溫度傳感器的研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)儀器儀表，2003(11)：1-3.

[8]吳波.微波器件銀焊工藝及應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代焊接，2009(03)：22-23.

[9]劉永先.我國(guó)氧化鋁瓷球的生產(chǎn)現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景[J].陶瓷，2000(01)：18-20.

[10]錢(qián)可元.高精度熱電偶溫度變送器[J].自動(dòng)化儀表，2003，24(08)：27-29.