在煉油行業，催化加氫處理設施(如加氫處理器、加氫脫硫和加氫裂化裝置)，需要依靠高性能催化劑技術來最大限度地提高產品轉化率(見圖1)。有效的反應控制有助于最大限度地減少空間需求和成本。對于這些密集填充的反應器而言，催化劑床精確而可靠的溫度曲線，是穩定和有利可圖的裝置運營所必需的。
在工業領域，帶有熱電偶傳感器的多點溫度儀表，被廣泛應用于監測最佳熱量分布，并防止在高溫、高壓和腐蝕條件下出現過熱點或導致催化劑過早失活。然而，大多數傳統的多點熱電偶探頭設計有兩個主要弱點：
①可靠性：在極端工藝條件下，硫化氫(H2S)污染會影響傳統氧化鎂(氧化鎂)電纜。硫化氫污染會改變測量精度，甚至導致反應失控。
②尺寸：它們是內置式的，占據催化劑床中的寶貴空間，這會導致不希望的壓降和溝道效應。
圖1 煉油廠需要可靠的溫度測量來優化運營(圖片來源：Endress+Hauser)
一種新型的、堅固的多點熱電偶探頭設計，通過將熱電偶套管和熱電偶傳感器集成在單個探頭中(可以節省空間)來解決這些問題，在解決故障漏洞的同時提供更高效的催化反應。專利技術幫助自動化系統，提供更可靠、精確的過程控制，有助于提高安全性、盈利能力和正常運行時間。
熱電偶漂移和遷移
催化加氫裂化裝置通常會遇到惡劣的環境，這對過程儀表提出了巨大的挑戰。雖然所有熱電偶探頭都會隨著時間而漂移，但在指定設計限值和選擇儀器供應商時，通常不會考慮機械應力、磨損和硫化氫污染。不幸的是，這些問題會導致數據完全丟失，從而威脅過程安全、反應控制和效率。
在這些類型的應用中，行業對多點溫度儀器接觸液體部件的可用壽命的期望通常是一個或兩個單位的運營周期或周轉時間，或36至48個月。隨著行業需求的變化，人們希望有更長的壽命周期(例如，5至7年)，這促使人們對更長的儀器和設備壽命周期的需求增加。
在很多工業應用中都發現了有缺陷的熱電偶探頭，并且正在系統地影響所有儀器制造商。在對這種情況進行科學檢查之后，發現這兩種現象會降低熱電偶測量的性能，它們可以單獨發生也可能同時發生：
①熱電偶漂移。氧化鎂粉末的化學污染，會導致構成熱電偶導線的兩種不同金屬成分發生變化，塞貝克效應或熱電效應就會導致電位差發生變化。雖然局部熱接點仍然保持完整，但一種或兩種金屬的電導率變化會改變測量電壓，從而對測量精度產生負面影響。
②熱接點遷移。如果硫化氫滲透到氧化鎂粉末中，會在熱電偶引線之間遠離熱接點的位置形成新的導電鍵(電短路)。熱電偶仍然工作，仍能顯示數值，但這些數值是錯誤的。
如果已識別出一個或多個有缺陷的熱電偶傳感器，運營人員可能會決定在下一次計劃設備維護期間解決該問題。根據故障的嚴重程度及其安全關鍵性，判斷是否需要對傳感器進行特殊維護，這可能會導致設備計劃外停機。
傳感器漂移
傳感器漂移或損壞會導致錯誤的讀數，運營和過程控制人員可能無法檢測到這些讀數。這種情況特別危險，因為測量鏈中的錯誤信息或信息缺乏，會導致運營決策具有較低的甚至更糟的反應效率。
根據技術調查和相關科學文獻，受污染的熱電偶傳感器的測量精度(漂移)偏差通常為負值。因此，顯示值將低于實際溫度，實際過程溫度可能比預期的更熱。除了主要的成本問題之外，這種狀態還對安全構成了相當大的威脅。
傳統設計假定受單一氧化鎂絕緣保護的傳感器，能提供足夠的測量準確度和精度。然而，這些標準的多點熱電偶探頭，在更具挑戰性的工藝條件下可能會失效。
測量準確度降低
標準做法是在反應器內彎曲和敷設傳感器電纜探頭，以匹配所需的布局，因為這種靈活的安裝方法可確保測量點分布均勻。然而，金屬彎曲會引起膨脹和壓縮應力，造成薄弱點，特別是在急彎處。
在富氫環境中，這些薄弱點可能會發生由氫應力而引起的開裂，隨著時間的推移，這些開裂可能會使金屬護套破裂。這種完整性的喪失會導致較大的工藝流體分子(例如硫化氫)滲透并污染絕緣的氧化鎂粉末。
氧化鎂粉末會與某些化學品發生反應，包括硫和鎳。現在受污染的氧化鎂粉末，將來自熱電偶導體引線和金屬護套的鎳與過程中產生的硫結合，促進了高導電性Ni3S2的形成。
隨著污染區域的擴大，暴露的電線會短路，對傳感器精度產生負面影響，或移動熱電偶熱結的位置。整個探頭有可能對過程溫度變化視而不見。
通過傳感器設計解決問題
Endress+Hauser公司推出的iTHERM ProfileSens TS901多點電纜探頭，由兩個或多個嵌入到通用外金屬護套的獨立溫度傳感器組成。外護套充當集成式熱電偶套管，而傳感器之間的空間填充有高度壓實的絕緣氧化鎂礦物粉末(見圖2)。與iTHERM ProfileSens TS901多點電纜探頭類似結構和功能的熱電偶國內稱為“鎧裝整體多點熱電偶”。
圖2 iTHERM Profile-Sens探頭使用氧化鎂、高純度壓實粉末來隔離每個溫度傳感器。
由于兩個傳感器彼此完全獨立，因此外部氧化鎂粉末的污染不會影響內部傳感器的電路及其運行。新的專利技術引入了第二層保護。額外的金屬屏障將每個測量電路隔離在其自己的氧化鎂床內，提供完全的傳感器獨立性。這種雙重保護層，可實現極高的傳感器可靠性，類似于單獨的熱電偶套管，同時保持可彎曲電纜探頭的柔韌性。
多個熱電偶傳感器可以組合在一個探頭中，每個傳感器都提供所需的測量性能。探頭布局和布線、長度和傳感器數量，分別根據工藝規范進行調整。這種類型的設計，在使用中被證明可以顯著降低傳感器過早漂移、腐蝕和短路的風險。
減少在內置式反應器中儀器所占用的空間，是提高轉化率和生產力的重要方法。必要硬件的數量，直接影響催化劑填充密度。影響空間的三個關鍵因素是：探頭設計、傳感器布線和安裝硬件。
①探頭設計。長期以來，標準多點熱電偶探頭被認為是一種成熟的技術，但最近的研究工作重新評估了機械設計。這樣，利用先進的制造工藝就可以增加安全層并顯著減少氧化鎂電纜，而不影響其現有質量。堅固性和空間體積的增加，轉化為更好地利用催化劑床填料。通過簡單地減少反應器床上的熱電偶電纜數量，減少了負面影響，提高了催化劑的反應性和盈利能力。
②傳感器布線。通過智能傳感器布線，測量點可以以最有效的方式分布，同時降低了對整體空間的占用。經驗豐富的工程師，使用最先進的CAD建模軟件和布線計算，運用多年的反應床布局經驗來獲得最佳結果。
③安裝硬件。在反應床中，布置多點熱電偶探頭通常需要安裝硬件，這會增加儀器的整體占用空間。然而，新的電纜探頭技術考慮到了這一要求，并減少了支架和安裝夾的數量。堅固的探頭機械結構，為電纜提供了更高程度的自支撐，從而減少了所需的支撐元件，同時保持可彎曲性。這可以減少儀器的占地面積，同時減少了總體硬件成本和安裝時間。提高了產品的轉化率、產量和工藝效率，可以更快的收回初始投資。
除了提高過程安全性、控制性和可靠性外，這項新技術還通過以下方式釋放了盈利潛力：
①為更高的催化劑填充密度節省空間；
②防止因儀器故障而導致的過早停機或維護；
③使設備運行更接近其最佳性能。
典型成本增量示例，實際成本可能因產品規格、配置和服務而異。
通過新的設計，將可用的催化劑床體積增加了50%，并將安裝時間縮短了75%。增加的體積可用于增加催化劑負載，節省的安裝時間直接轉化為更快的周轉時間和更低的成本。
以平均每日單位盈利能力和36-48個月的連續運營來衡量，由此產生的額外收入完全抵消了資本支出(見圖3)。
圖3 CAPEX是儀器和安裝成本
使用iTHERM ProfileSens，初始資本支出(左y軸，基數100：標準多點安裝)雖然略高，但會通過更高的產量(右y軸，基數100：標準多點安裝)和成本節約而迅速抵消。帶來這種快速投資回報的主要因素包括：
①更高的裝置性能和轉換；
②更高的效率；
③更快的安裝和周轉；
④降低運營成本。
隨著測量點數量的增加，節約效應逐步增加，直至初始投資與增加的回報相比變得可以忽略不計的程度。新技術的穩健性、可靠性和更長的運行壽命，使其成為苛刻工藝條件下令人信服的選擇。
作者：Mark Thomas
