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)樵瓉淼?～ 4 倍，由此可見，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，也無法真實(shí)反映反應(yīng)過程的溫度變化，從而無法對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行有效控制[2]。因此，近年以來，下測(cè)溫裝置在反應(yīng)釜上的安裝應(yīng)用越來越普遍。

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題，且目前國(guó)家對(duì)于化工自動(dòng)化的要求越來越高，很多企業(yè)開始在生產(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)證過程

按照既定的驗(yàn)證方案開始驗(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)際使用過程中，存在的問題包括測(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，但是溫度變化過程中的溫度偏差依然較大，仍無法滿足使用需求，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)行過程中的的溫度檢測(cè)，全程開啟反應(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，保證無空氣、無間隙，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，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)過程中溫度因素帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高化工生產(chǎn)過程的本質(zhì)安全水平，保障醫(yī)藥化工企業(yè)正常穩(wěn)定生產(chǎn)。