在加氢装置中可靠的多点温度曲线

在炼油行业，催化加氢处理元件——如加氢处理装置、加氢脱硫装置和加氢裂化装置——依靠高性能催化剂技术最大限度地提高产品转化率（见图1）。同时，有效的反应控制寻求最小化环境足迹和成本。这些密集填充的反应器催化剂床的精确和可靠的温度映射是稳定和盈利的装置操作所必需的。

带热电偶传感器的多点温度仪器在工业中广泛应用，以监测最佳的热量分布，并防止热点和催化剂在高温、高压和腐蚀性条件下过早失活。

然而，大多数传统的多点热电偶探头设计有两个主要缺点:

• 可靠性：硫化氢(H₂S） 在极端工艺条件下，污染会影响传统氧化镁（MgO）电缆。H₂污染会改变测量的准确性，甚至导致反应失去控制。
• 尺寸：它们相对具有侵入性，占用催化剂床中宝贵的空间，导致不必要的压降和窜流效应。

一种新的、坚固的多点热电偶探头设计通过将热电偶套管和热电偶传感器组合在一个节省空间的探头中解决了这些问题，解决了故障漏洞，同时提供了更高效的催化反应。专利技术有助于自动化系统提供更可靠、精确和准确的过程控制，直接有助于提高安全性、盈利能力和正常运行时间。

热电偶漂移和迁移

催化加氢裂化装置通常会遇到恶劣的环境，这给工艺仪表带来了困难。虽然所有热电偶探针都会随时间漂移，但机械应力、磨损和H₂在指定设计限制和选择仪器供应商时，通常不考虑S污染。不幸的是，这些问题可能导致数据的完全丢失，从而威胁过程安全、反应控制和效率。

在这些类型的应用中，行业对多点温度仪器的湿件使用寿命的预期通常是一个或两个单元的操作周期或周转期，或36至48个月。随着行业的变化，人们对更长的生命周期(5 - 7年)的需求也在增加，这促使对更长的仪器和设备生命周期的需求增加。

在整个行业中已经发现了大量有缺陷的热电偶探头，并系统地影响到所有仪器制造商。这种现象已经被科学地检验过，结果发现了两种降低热电偶测量性能的现象，每一种都单独或联合发生:

• 热电偶漂移。MgO粉末的化学污染导致组成热电偶导体线的两种不同金属的组成发生变化，导致由于塞贝克效应或热电效应造成的电位差的变化。当局部热结保持完整时，一种或两种金属电导率的变化将改变测量电压，从而对测量精度产生负面影响。
• 热接点迁移。渗透H₂在远离热结的热电偶导线间，产生新的导电键(电路短路)。热电偶仍然工作，但会出现错误的值，似乎是真的。

如果发现一个或几个有缺陷的热电偶传感器，工艺负责人可能会决定在下一次计划的设备周转期间解决这个问题。根据故障的严重程度及其安全临界程度，可能需要进行特殊的传感器更换维护，这可能导致计划外的机组关闭。

H₂年代污染

传感器漂移或损坏会导致操作和过程控制人员无法检测到的错误读数。这种情况特别危险，因为测量链中的错误信息或缺乏信息可能导致反应效率较差或更糟的操作决策。

根据技术调查和相关科学文献，受污染热电偶传感器的测量精度偏差(漂移)通常是负的。因此，显示的值将低于实际温度，进程可能运行温度高于预期。除了主要的成本问题，这种规格外的状态还会带来相当大的安全威胁。

传统的设计假设传感器由单一的MgO绝缘保护，提供足够的测量精度和精度。然而，这些标准的多点热电偶探头在更有挑战性的工艺条件下会失效。

氢应力诱发裂纹

标准做法是在反应器内弯曲和布置传感器电缆探头，以符合要求的布局，因为这种灵活的安装方法确保测量点充分分布。然而，金属的弯曲会引起膨胀和压缩应力，从而产生薄弱点，尤其是在急弯处。

在富氢大气中，氢应力诱导的裂纹可能发生在这些弱点，随着时间的推移，这些弱点可能会增加到足以完全穿透金属鞘。这种完整性的丧失导致过程流体的大分子，如H₂S，渗透和污染绝缘氧化镁粉。

氧化镁粉末可与某些化学物质反应，包括硫和镍。受污染的氧化镁粉促进了高导电镍的形成_3.年代₂通过将来自热电偶导体引线和金属护套的镍与过程中产生的硫结合起来。

随着污染区域的扩大，暴露的电线会形成短路，对传感器精度产生负面影响，或迁移热电偶热接点的位置。整个探头有可能对过程温度变化视而不见。

传感器设计解决问题

Endress+Hauser iTHERM ProfileSens TS901多点电缆探头由两个或多个独立的温度传感器嵌入在一个普通的金属外壳中。外护套作为一个集成的温度计套管，而传感器之间的空间填充了高度致密的绝缘MgO矿粉(见图2)。

由于两个传感器彼此完全独立，外部氧化镁粉末的污染不会影响内部传感器的电路及其工作。新的专利技术引入了第二层保护。额外的金属屏障将每个测量电路隔离在其自身的氧化镁床内，从而提供完全的传感器独立性。这种双重保护层导致极高的传感器可靠性，类似于单独的热电偶套管，同时保持可弯曲电缆探头的灵活性。

多个热电偶传感器可以组合在一个探头中，每个探头都提供所需的测量性能。探头的布局和路由、长度和传感器的数量分别适应工艺规范。这种类型的设计已被证明可以显著降低传感器过早漂移、腐蚀和短路的风险。

足迹影响产品转换

减少侵入式反应器仪器所占用的空间是提高转化率和生产率的明显方法。所需硬件的数量直接影响催化剂的电荷密度。影响空间足迹的三个关键因素:

• 探针设计
• 传感器路由
• 安装硬件。

探针设计

标准多点热电偶探针技术一直被认为是成熟的，但最近的研究工作重新评估了机械设计。这导致使用先进的制造工艺，添加安全层和显著小型化的MgO电缆，而不损害其现有的质量。坚固性和空间体积的增加转化为催化剂床填料的更好使用。通过简单地减少跨反应器床层的热电偶电缆的数量，也可以减少负面影响，提高催化剂的反应性和盈利能力。

传感器路由

通过智能传感器路由，可以最有效地分布测点，同时降低整体入侵性。先进的CAD建模软件和路线计算由经验丰富的工程师使用，应用多年的经验在反应堆布局，以取得最佳结果。

安装硬件

在反应器床上放置多点热电偶探头通常需要安装硬件，增加仪器的整体空间占用。然而，新的电缆探头技术可以满足这一要求，并减少支架和安装夹的数量。坚固的探头机械结构为电缆提供了更高程度的自支撑，从而减少了所需的支撑元件，同时保持可弯曲。这减少了仪器的占地面积，同时降低了整体硬件成本和安装时间。较高的产品转换、产量和工艺效率很快抵消了初始投资。

投资回报率和附加值

除了改进过程安全性、控制和可靠性外，这项新技术还通过以下方式释放盈利潜力:

• 为更高的催化剂电荷密度节省空间。
• 防止因仪表故障导致的不及时停机或需要维护。
• 使机组运行更接近其最佳性能。

为了证明一个微创仪器对盈利能力有多大影响，考虑一个典型的加三个催化剂床的加氢裂化反应器。每个床配备一个入口喷嘴和十二个测量点。

标准多点仪器将使用:

• 每床12个8 mm热电偶和探头。
• 每根电缆一个热电偶传感器，总共12根电缆。
• 8米的平均长度。

新设计用途:

• 每个床层有三个9.5毫米多点电缆探头，每个探头有四个热电偶传感器，总共有9根电缆。
• 长度可达13米。

新的设计增加了50%的可用催化剂床体积，减少了75%的安装时间。增加的体积可用于增加催化剂负载，节省的安装时间直接转化为更快的周转和更低的成本。

与平均每日单位盈利能力和连续运营36-48个月相比，产生的额外收入完全抵消了资本支出(见图3)。

使用iTHERM ProfileSens，初始资本支出(左y轴，基准100:标准多点安装)，尽管最低限度更高，但通过更高的产量迅速抵消（右y轴，底座100:标准多点安装）还有储蓄。导致这种快速投资回报的主要因素是：

• 更高的单位性能和转换
• 更高的效率
• 更快的安装和周转
• 更低的运营成本。

随着测量点数量的增加，储蓄效应增长到初始投资与增加的回报相比可以忽略不计的程度。新技术的坚固性、可靠性和更长的运行寿命使其成为苛刻工艺条件下的令人信服的选择。

最后的话

虽然漂移热电偶测量是一种已知的现象，但除了典型的漂移外，传感器不当行为的潜在原因仍然是许多炼油厂运营商所不知道的。迁移热节点在大多数情况下都没有被发现，使得过程控制工程师没有意识到潜在的损失。

大量的试验和科学研究表明，机械应力、磨损、腐蚀、氢应力引起的开裂和随后的H₂污染是导致数据完全丢失的主要原因——降低了工艺效率，同时对安全和反应控制造成风险。

iTHERM ProfileSens解决了这些问题，以提高过程安全性、控制和可靠性。它还释放了潜在的盈利潜力，为炼油厂提供了一个明智的选择，以最大限度地利用新的或现有的装置。