列管反應器內多點溫度的測量

李欣龍

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

隨著精細化工和有機化工的發展，列管反應器的應用越來越廣泛[1]。列管反應器返混小，因而容積效率(單位容積生產能力)高，對要求轉化率較高或有串聯副反應的場合尤為適用。列管反應器的結構類型可分為單管式、多管式、夾套式等[2]。文中所述的反應器為列管式夾套反應器。

列管反應器內的溫度與轉化率、副反應率有直接關系，溫度太高還可能引起爆炸，因此其溫度的測量關乎生產的質量與安全，十分重要[3]。

1 工藝介紹

某項目中應用的列管反應器為高約10m、直徑約6m、質量約250t的多管式夾套反應器，其中有2萬余根反應管。其結構如圖1所示。

圖1 列管反應器結構示意

正丁烷和空氣的混合物從反應器底部A口進入，通過反應管在催化劑的作用下生成馬來酸酐。該反應為放熱反應，反應溫度約為400℃。使用熔鹽帶走反應熱，熔鹽從反應器殼程C口進入，D口排出。

反應在爆炸極限內進行，反應器入口正丁烷的體積分數是1.75%，正丁烷的爆炸極限為1.6%～8.5%。反應器入口溫度為180℃，出口為440℃，而正丁烷引燃溫度為287℃。在反應管內從下至上隨著反應的進行，正丁烷的體積分數在不斷下降，溫度在不斷上升。當溫度上升至287℃，而正丁烷體積分數還處在爆炸極限內時極易引起爆炸?？梢娫摲磻诒ǖ倪吘夁M行，溫度的測量與控制十分重要。

反應器內共需要測量72點不同位置不同高度的溫度，代表反應器內的溫度場[4]。溫度計從反應器底部的6個T口插入，每個T口安裝1套12點溫度計，且每個T口設置1個氮氣吹掃口N，目的是防止正丁烷在法蘭接管內積聚引起爆炸。

2 多點熱電偶的選擇

該項目中，共需測量反應器內的72點溫度，采用6組12點鎧裝K型熱電偶[5]實現。其結構如圖2所示。

圖2 12點鎧裝K型熱電偶結構示意

理論上鎧裝熱電偶的直徑越細越好，這樣對催化劑的分布影響越小，測量管內的溫度更接近其他反應管內的溫度，然而熱電偶太細其強度會降低，最后選定鎧裝熱電偶的直徑為1.6mm。

每根熱電偶根據其測量位置的不同其長度有所不同，計算方法如下：熱電偶長度=法蘭接管長度+接管底部到反應管底部直線距離+插入反應管中深度×1.1+200(mm)。由于熱電偶在反應管內有一定的彎曲，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長的直徑為1mm的不銹鋼絲。在安裝時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，因為銀具有良好的惰性，不會污染催化劑[7-8]。

由于控制室距離反應器較遠，為了提高測量精度，采用現場變送器將熱電偶信號轉化為標準4～20mA信號。另外反應器的溫度很高，變送器箱需要與其保持一定距離，所以中間選用了10m長的波紋管保護多芯電纜[7]。

最后注意在熱電偶上和導線上需標好位號，防止現場不易找到其對應關系。

3 熱電偶的安裝

熱電偶的安裝和催化劑填裝同時進行，由于反應器內有2萬余根反應管，必須做好計劃、認真實施才能避免錯誤。將反應管劃分為6個扇形區域，每個區域對應一組12點熱電偶，在需要安裝熱電偶的反應管上用彩筆做出標記，不同區域用不同的顏色表示。鎧裝熱電偶在反應管內的安裝如圖3所示。

圖3 鎧裝熱電偶在反應器中安裝示意

安裝步驟：1)在反應管底部擰入彈簧；2)將鎧裝熱電偶插入反應管中，提拉不銹鋼絲使熱電偶插入到標記位置；3)從頂部填裝瓷球；4)在瓷球上填裝催化劑；5)到反應管頂部時再填裝瓷球；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度，瓷球用于防止催化劑漏下[9]。

4 多點溫度的監控

反應器內72點溫度在DCS上進行監控與報警，并記錄在歷史數據庫中。需要實時計算的內容如下：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數，或者加入蒸汽以降低反應速率。如果最高溫度太低，則可以增加正丁烷體積分數或者表示催化劑已經老化需要重新更換。如果平均溫度與最高溫度差別太大則很可能是反應管破漏，用于導熱的熔鹽漏進反應管中。

5 結束語

列管反應器內部溫度的測量和溫度的空間分布是反應器的關鍵參數[10]。文中介紹的72點熱電偶測量方法，結構合理安裝簡便，經過現場測試達到了工藝要求，具有良好的效果，希望可以對類似的溫度測量場合起到借鑒的作用。

參考文獻：

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

[2]ANDRZEJ S，薛冠申.列管式固定床反應器模擬與設計進展[J].化學工程，1990，18(06)：62-72.

[3]趙增慧，夏麗.列管式固定床反應器的設計探討[J].北京石油化工學院學報，2000，8(02)：56-60.

[4]王京慧.多點鎧裝熱電偶在加氫反應器床層溫度測量中的應用[J].石油化工自動化，2009，45(06)：59-62.

[5]劉合潤，李智勇，畢丹.多點熱電偶測溫裝置[J].上海機床，1994(04)：59-60.

[6]王洪，張丹紅.多點溫度檢測系統的設計[J].工業控制技術，2009(12)：84-86.

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[9]劉永先.我國氧化鋁瓷球的生產現狀及市場前景[J].陶瓷，2000(01)：18-20.

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