特殊熱電偶在甲醇合成裝置中應用

摘要:根據甲醇工藝裝置中天然氣轉化合成工況和介質(zhì)的特殊性,對溫度測量提出了苛刻的要求。介紹了天然氣蒸汽轉化合成工段中幾種特殊溫度計的技術(shù)特點(diǎn)和使用方法,針對天然氣轉化合成裝置的特殊設備預轉化反應器、轉化爐和甲醇合成反應器的溫度測懸提出了較好的方案,并在現場(chǎng)裝置實(shí)際運行中取得良好的效果。
　　甲醇是多種有機產(chǎn)品的基本原料和重要溶劑，廣泛用于有機合成、染料、醫藥涂料和國防等工業(yè)。國內某大型煤化工項目利用當地豐富的煤炭、油田氣資源和就近可得的常壓渣油,采用國際先進(jìn)的符合環(huán)保要求的工藝技術(shù),建設煤氣化和油田氣轉化制甲醇、甲醇制烯烴渣油催化裂解制烯烴、聚乙烯、聚丙烯等上下游關(guān)聯(lián)的工藝裝置,實(shí)現了產(chǎn)品的“--體化”和“系列化”,體現了“減量化、再循環(huán)、再利用”的循環(huán)經(jīng)濟理念,具有較強的市場(chǎng)競爭能力。
1工藝技術(shù)特點(diǎn)
　　該甲醇裝置為5.5kt/d(以100%甲醇計)甲醇制烯烴(MTO)級甲醇生產(chǎn)裝置，使用1個(gè)催化富氣預轉化反應器和1個(gè)常規的蒸汽轉化爐用于原料天然氣生產(chǎn)合成氣。天然氣制合成氣與煤制合成氣和DCC富氫氣混合作為原料進(jìn)入甲醇合成回路。
　　該甲醇工藝主要包括原料準備、天然氣蒸氣轉化、甲醇合成、精制和蒸汽系統五大部分,工藝流程如圖1所示。
 
　　脫硫后的天然氣與蒸汽混合,經(jīng)加熱進(jìn)入轉化管內與催化劑接觸,產(chǎn)生如下催化反應:
CH₄+H2O--CO+3H₂(1)
CH₄+2H₂O=CO₂+4H₂(2)
CH₄+CO₂-2CO+2H₂(3)
　　影響轉化的因素主要有溫度、水碳比、壓力空速、催化劑蒸汽含鹽、氣體含硫等,其中對溫度的控制是轉化過(guò)程中的重中之重,提高溫度有利于轉化反應的進(jìn)行，可以降低殘余甲烷體積分數。但如果溫度過(guò)高將會(huì )造成催化劑觸媒(鎳)的活性降低，影響轉化反應效率，還會(huì )嚴重影響轉化爐爐管的壽命。
2天然氣轉化合成工段中特殊溫度計的應用
2.1安裝在預轉化反應器頂部的多點(diǎn)熱電偶
　　預轉化反應器是一道低溫轉化工藝,通過(guò)天然氣與蒸汽在絕熱催化劑床上反應,將天然氣給料中重質(zhì)烴裂解成輕質(zhì)組分(主要為甲烷),同時(shí)生成一些氫氣、一氧化碳及二氧化碳,整個(gè)反應為吸熱反，應。預轉化反應器各床層溫度應保持在465~550C,并且溫度不應低于300℃。如果催化劑床層溫度過(guò)高,會(huì )破壞催化劑結構,發(fā)生燒結,使催化劑活性降低;催化劑床層內任意一點(diǎn)的溫度若低于300℃,會(huì )使飽和蒸汽冷凝,附著(zhù)在催化劑上,長(cháng)時(shí)間后會(huì )浸泡催化劑,使催化劑失去活性。根據此特點(diǎn),在預轉化反應器圓周內按120°角方向分別設置了3個(gè)14點(diǎn)的雙支K型熱電偶。根據床層的高度,確定每支熱電偶的插人深度。如圖2所示，.該熱電偶分為三大部分,分別是熱電偶保護管、與設備連接部分和信號轉換部分。為了與DCS信號.統一,現場(chǎng)信號電纜不采用熱電偶補償導線(xiàn)。多點(diǎn)熱電偶項部帶溫度信號轉換接線(xiàn)箱,將雙支熱電偶的信號引至接線(xiàn)箱,接線(xiàn)箱中裝14個(gè)溫度變送器，將雙支熱電偶其中1組的14個(gè)檢測點(diǎn)信號轉換為4~20mA信號送至DCS,剩下1組的14個(gè)熱電偶信號接至接線(xiàn)箱空余端子排上,便于隨時(shí)替換使用。多點(diǎn)熱電偶的接線(xiàn)箱依靠1片DN100法蘭與多點(diǎn)熱電偶連接在一起。多點(diǎn)熱電偶與設備之間采用DN150的法蘭連接,法蘭材質(zhì)和壓力等級與設備一致。
 
　　每個(gè)14點(diǎn)雙支熱電偶的檢測點(diǎn)分內圈和外圈均勻分布在DN150法蘭上:外圈8個(gè)、內圈6個(gè);熱電偶每個(gè)檢測點(diǎn)的外護套管外徑為φ6.4mm,在法蘭的中心開(kāi)φ6.4mm的孔,焊接1根φ6.4mm的鋼柱,用于增加熱電偶的支撐力度。
　　預轉化反應器多點(diǎn)熱電偶內部結構如圖3所示,每個(gè)雙支多點(diǎn)熱電偶的測量元件長(cháng)度應與每一層催化劑床層的高度保持一致,每個(gè)測量元件的護套外徑為φ3mm,測量元件前端彎曲并緊貼保護管內壁,保證測量的正確性和實(shí)時(shí)性，此外導向管的兩邊和終端分隔板焊接,緊密包裹著(zhù)測量元件,防止熱電偶在振動(dòng)的過(guò)程中測量元件與終端分隔板產(chǎn)生摩擦而影響使用壽命。多點(diǎn)熱電偶的14個(gè)測量端在圖3中分別用字母A~N表示。
 
2.2轉化爐下集合管吹掃熱電偶
　　位于轉化爐底部出口輸氣總管上的溫度檢測點(diǎn)對于轉化爐運行十分重要,它是整個(gè)轉化爐科學(xué)合理操作的基礎,在轉化爐燃燒控制系統中,其作為燃燒控制和聯(lián)鎖的輸入條件之一,配合轉化原料氣的流量、混合燃料氣熱值和總水碳比等重要參.數,共同決定了轉化爐燃燒系統的負荷。該處溫度指示為轉化爐出口合成氣的溫度,工藝的操作溫度控制在890C,以保證合成氣中的甲烷體積分數不大于3%。
　　轉化爐出口合成氣的主要成分是氫氣和一氧化碳,溫度890℃,壓力2.1MPa,氫氣在高溫、高壓下具有較高還原性,經(jīng)過(guò)長(cháng)期滲漏腐蝕,可以穿透普通的熱電偶保護管,腐蝕檢測元件,有時(shí)甚至反漏出管道,給生產(chǎn)帶來(lái)危害。因此，安裝在轉化爐底部下集合管的2個(gè)K型雙支熱電偶必須采用特殊的測量方法。
　　1個(gè)帶DN50法蘭的K型熱電偶，熱電偶測量元件外護套材質(zhì)采用inconel600,熱電偶保護管采用特殊的材質(zhì)incoloy800H,同時(shí)法蘭以下與介質(zhì)接觸的部分噴涂一層厚度50~100pum的鋁涂層,以防止氫氣的滲漏,并在熱電偶法蘭上部的保護管上螺紋連接1個(gè)“Y”型接頭,側面連接氮氣管線(xiàn),直管上連接1根碳鋼管。碳鋼管頂部帶熱電偶轉換模塊接線(xiàn)盒。同時(shí)碳鋼管上帶1個(gè)中4mm的排氣孔,以排放出氮氣或氫氣。接人的氮氣流量一定是微量的可調節的(0~0.08m2/h)。因此,應加入1個(gè)吹氣裝置調節流量。氮氣由1根P3mm材質(zhì)為inconelAlloy690的導管通人熱電偶保護管,以便將可能滲入保護管內的氫氣吹出。在保護管內氣體流速應不大于45m/s。采用這種特殊結構、特殊材質(zhì)才能有效防止氫氣腐蝕以及氫脆的發(fā)生。
2.3安裝在甲醇合成反應器上的多點(diǎn)熱電偶
　　甲醇合成反應器為管式徑向流反應器,殼側裝有銅基催化劑,合成氣體進(jìn)入催化劑床層后,在溫度約為250℃的條件下氫氣與一氧化碳、二氧化碳反應生成甲醇和水，同時(shí)還有微量的有機雜質(zhì)生成。甲醇合成反應:
CO+2H₂一CH₃OH
CO₂+3H₂一CH₃OH+H₂O
　　使用催化劑生成甲醇的效率取決于壓力、催化劑溫度、循環(huán)速率、合成氣組成及催化劑使用年限和狀況。其中溫度控制尤為重要,直接影響到甲醇的合成率。如果溫度過(guò)低，反應器內會(huì )產(chǎn)生蠟,這將增加過(guò)濾器的更換頻率,所形成的部分蠟也將永久地粘附在催化劑上,從而污損活化區，影響甲醇合成率;如果溫度過(guò)高將造成甲醇催化劑受熱燒結,很快失去活性。由于催化劑在合成反應中至關(guān)重要而且價(jià)格昂貴,在確保甲醇產(chǎn)量和操作穩定性的情況下，應盡量將溫度維持在合理的低溫區間內。
　　每個(gè)甲醇合成反應器頂部有4個(gè)溫度檢測口，每個(gè)溫度檢測口安裝1個(gè)組合式雙支K型多點(diǎn)熱電偶,每支多點(diǎn)熱電偶從上到下分布10個(gè)溫度檢測點(diǎn)。雙支熱電偶共用熱電偶保護套管,用于檢測合成反應器內部在不同高度佃化劑床層的溫度。多點(diǎn)熱電偶分為上.中,下三個(gè)部分,頂部接線(xiàn)盒用于將熱電偶信號轉化為4~20mA核擬量信號送至現場(chǎng)機柜間,中間部分用1片DN100祛蘭與合成反應器相連.法蘭根部至反應器上部切線(xiàn)位置用1服DN100保護管固定,進(jìn)人催化劑床層部分,保護管縮徑后一直延伸至催化劑床層底部。合成反應暑內部極易發(fā)生副反應即甲燒化反應,甲烷化反應為強放熱反應，反應后的高溫會(huì )使催化劑老化，損壞反應器內件,必須通過(guò)溫度報警和聯(lián)鎖對合成反應器進(jìn)行溫度監控。選用的雙支多點(diǎn)熱電偶其中1支的10個(gè)溫度檢測信號全部進(jìn)人DCS,在另1支多點(diǎn)熱電偶的上.下位置各設置3個(gè)溫度檢測點(diǎn),信號進(jìn)人DCS,中間位置的4個(gè)溫度檢測點(diǎn)的信號進(jìn)入sIS,合成反應器的進(jìn)料口在中間位置,主要的反應熱量都集中在中間區域，所以反應器的中間位置的反應熱最為集中。進(jìn)DCS和sIs中間位置的4個(gè)溫度檢測點(diǎn)分別做"20o16"的溫度高限聯(lián)鎖,聯(lián)鎖動(dòng)作會(huì )觸發(fā)上游合成壓縮機的轉速控制將其轉速調至最低,泄故合成回路壓力,降低壓力會(huì )使反應器內的冷卻增強.通過(guò)循環(huán)氣帶走熱量.給甲醉合成反應器床層降溫;如果DCS中的溫度高高限(TAHH)聯(lián)鎖沒(méi)有被激活或者DCS聯(lián)鎖觸發(fā)后降溫效果不明顯，使得溫度繼續升高,此時(shí)設置在SIS中的溫度高高高限(TSHHH)將觸發(fā)聯(lián)鎖跳車(chē)動(dòng)作。聯(lián)鎖觸發(fā)的結果將會(huì )切斷整個(gè)甲醇合成回路合成氣進(jìn)氣,包括煤基合成氣和天然氣轉化合成氣,這樣就大幅減少了反應熱,使床層溫度得到控制,不再能續升高,有效地保護了佃化劑。此外每支多點(diǎn)熱電偶由上到下選取第2點(diǎn)~第8點(diǎn)做中值選擇,其值在DCS上做顯示,防止催化劑鈍化不完全，溫度升高造成燒結堵寒佛化劑卸料孔。
　　合成反應器床層多點(diǎn)熱電偶結構復雜,安裝難度大,為確保使用性和安全性，該多點(diǎn)熱電偶應專(zhuān)利商要求而選用E+H產(chǎn)品,并隨專(zhuān)利商提供的合成反應器設備成套提供。由于每支多點(diǎn)熱電偶的10個(gè)檢測點(diǎn)陽(yáng)極共用,為避免現場(chǎng)溫度變送器模塊的輸出信號發(fā)生漂移現象，應特別注意選用電氣隔離性能較高(大于2000V)的溫度變送器模塊。
3選擇溫度測量?jì)x表的要素
1)對于溫度計,不僅要對保護管的材質(zhì)提出設計要求,考慮其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐沖擊碰撞等,還應該對起固定作用的法蘭、螺栓螺母墊片、卡套密封圈和接線(xiàn)盒等連接件嚴格要求,在阻漏方面也應有明確的規定。
2)化工裝置的現場(chǎng)屬于高危區域,在溫度計的設計.上不僅要選擇合適的防爆類(lèi)型和防護等級,特別是現場(chǎng)接線(xiàn)箱也應滿(mǎn)足所在區域的防爆要求。
3}溫度計通常都是插人到設備或者管道本體內部來(lái)測量溫度,尤其是插人設備內部的溫度計，要從選型上對插人深度和法蘭尺寸有明確的要求，需仔細研究設備圖，確認溫度計口內部是否有溢流板或擋板影響溫度計的插入。
4)為了避免開(kāi)停車(chē)對業(yè)主造成經(jīng)濟損失和安全隱患，同時(shí)降低維修成本和安裝難度,特殊場(chǎng)合的溫度計可選用雙支型熱電阻或熱電偶;在重要設備上的特殊熱電偶可選用利于安裝、便于拆卸的抽芯式結構。
4結束語(yǔ)
　　實(shí)踐證明,溫度是指導工藝流程正常穩定運轉的指標，快速、正確、安全是溫度測量的目標。溫度測量?jì)x表的應用十分廣泛,技術(shù)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn),結合自身的工作經(jīng)驗,總結了甲醇裝置中特殊熱電偶的選型、安裝及注意事項,期望能給相關(guān)項目提供借鑒和參考。