列管反应器内多点温度的测量

李欣龙

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

随着精细化工和有机化工的发展，列管反应器的应用越来越广泛[1]。列管反应器返混小，因而容积效率(单位容积生产能力)高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。列管反应器的结构类型可分为单管式、多管式、夹套式等[2]。文中所述的反应器为列管式夹套反应器。

列管反应器内的温度与转化率、副反应率有直接关系，温度太高还可能引起爆炸，因此其温度的测量关乎生产的质量与安全，十分重要[3]。

1 工艺介绍

某项目中应用的列管反应器为高约10m、直径约6m、质量约250t的多管式夹套反应器，其中有2万余根反应管。其结构如图1所示。

图1 列管反应器结构示意

正丁烷和空气的混合物从反应器底部A口进入，通过反应管在催化剂的作用下生成马来酸酐。该反应为放热反应，反应温度约为400℃。使用熔盐带走反应热，熔盐从反应器壳程C口进入，D口排出。

反应在爆炸极限内进行，反应器入口正丁烷的体积分数是1.75%，正丁烷的爆炸极限为1.6%～8.5%。反应器入口温度为180℃，出口为440℃，而正丁烷引燃温度为287℃。在反应管内从下至上随着反应的进行，正丁烷的体积分数在不断下降，温度在不断上升。当温度上升至287℃，而正丁烷体积分数还处在爆炸极限内时极易引起爆炸。可见该反应在爆炸的边缘进行，温度的测量与控制十分重要。

反应器内共需要测量72点不同位置不同高度的温度，代表反应器内的温度场[4]。温度计从反应器底部的6个T口插入，每个T口安装1套12点温度计，且每个T口设置1个氮气吹扫口N，目的是防止正丁烷在法兰接管内积聚引起爆炸。

2 多点热电偶的选择

该项目中，共需测量反应器内的72点温度，采用6组12点铠装K型热电偶[5]实现。其结构如图2所示。

图2 12点铠装K型热电偶结构示意

理论上铠装热电偶的直径越细越好，这样对催化剂的分布影响越小，测量管内的温度更接近其他反应管内的温度，然而热电偶太细其强度会降低，最后选定铠装热电偶的直径为1.6mm。

每根热电偶根据其测量位置的不同其长度有所不同，计算方法如下：热电偶长度=法兰接管长度+接管底部到反应管底部直线距离+插入反应管中深度×1.1+200(mm)。由于热电偶在反应管内有一定的弯曲，因此乘以1.1倍。为了使热电偶保持一定的松弛度增加了200mm[6]。

为了便于安装，在热电偶末端焊接一根6m长的直径为1mm的不锈钢丝。在安装时用不锈钢丝吊着热电偶到合适位置。不锈钢丝与热电偶用银焊接，因为银具有良好的惰性，不会污染催化剂[7-8]。

由于控制室距离反应器较远，为了提高测量精度，采用现场变送器将热电偶信号转化为标准4～20mA信号。另外反应器的温度很高，变送器箱需要与其保持一定距离，所以中间选用了10m长的波纹管保护多芯电缆[7]。

最后注意在热电偶上和导线上需标好位号，防止现场不易找到其对应关系。

3 热电偶的安装

热电偶的安装和催化剂填装同时进行，由于反应器内有2万余根反应管，必须做好计划、认真实施才能避免错误。将反应管划分为6个扇形区域，每个区域对应一组12点热电偶，在需要安装热电偶的反应管上用彩笔做出标记，不同区域用不同的颜色表示。铠装热电偶在反应管内的安装如图3所示。

图3 铠装热电偶在反应器中安装示意

安装步骤：1)在反应管底部拧入弹簧；2)将铠装热电偶插入反应管中，提拉不锈钢丝使热电偶插入到标记位置；3)从顶部填装瓷球；4)在瓷球上填装催化剂；5)到反应管顶部时再填装瓷球；6)在顶部拧入弹簧；7)剪断不锈钢丝。

弹簧可以保持催化剂的紧实度，瓷球用于防止催化剂漏下[9]。

4 多点温度的监控

反应器内72点温度在DCS上进行监控与报警，并记录在历史数据库中。需要实时计算的内容如下：1)判断最高温度及其位置；2)判断第二高温度及其位置；3)72点平均温度；4)平均温度与最高温度之差。

如果最高温度太高，则需要降低正丁烷的体积分数，或者加入蒸汽以降低反应速率。如果最高温度太低，则可以增加正丁烷体积分数或者表示催化剂已经老化需要重新更换。如果平均温度与最高温度差别太大则很可能是反应管破漏，用于导热的熔盐漏进反应管中。

5 结束语

列管反应器内部温度的测量和温度的空间分布是反应器的关键参数[10]。文中介绍的72点热电偶测量方法，结构合理安装简便，经过现场测试达到了工艺要求，具有良好的效果，希望可以对类似的温度测量场合起到借鉴的作用。

参考文献：

[1]陈尚伟.列管式固定床反应器设计的限制条件[J].石油化工，2004，33(02)：141-144.

[2]ANDRZEJ S，薛冠申.列管式固定床反应器模拟与设计进展[J].化学工程，1990，18(06)：62-72.

[3]赵增慧，夏丽.列管式固定床反应器的设计探讨[J].北京石油化工学院学报，2000，8(02)：56-60.

[4]王京慧.多点铠装热电偶在加氢反应器床层温度测量中的应用[J].石油化工自动化，2009，45(06)：59-62.

[5]刘合润，李智勇，毕丹.多点热电偶测温装置[J].上海机床，1994(04)：59-60.

[6]王洪，张丹红.多点温度检测系统的设计[J].工业控制技术，2009(12)：84-86.

[7]刘洋，吴双，赵永刚.热电偶温度传感器的研究与发展现状[J].中国仪器仪表，2003(11)：1-3.

[8]吴波.微波器件银焊工艺及应用研究[J].现代焊接，2009(03)：22-23.

[9]刘永先.我国氧化铝瓷球的生产现状及市场前景[J].陶瓷，2000(01)：18-20.

[10]钱可元.高精度热电偶温度变送器[J].自动化仪表，2003，24(08)：27-29.