在煉油行業(yè)，催化加氫處理設(shè)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(shù)來最大限度地提高產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率(見圖1)。有效的反應(yīng)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(yīng)器而言，催化劑床精確而可靠的溫度曲線，是穩(wěn)定和有利可圖的裝置運(yùn)營所必需的。

在工業(yè)領(lǐng)域，帶有熱電偶傳感器的多點(diǎn)溫度儀表，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測最佳熱量分布，并防止在高溫、高壓和腐蝕條件下出現(xiàn)過熱點(diǎn)或?qū)е麓呋瘎┻^早失活。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)的多點(diǎn)熱電偶探頭設(shè)計(jì)有兩個(gè)主要弱點(diǎn)：
①可靠性：在極端工藝條件下，硫化氫(H₂S)污染會(huì)影響傳統(tǒng)氧化鎂(氧化鎂)電纜。硫化氫污染會(huì)改變測量精度，甚至導(dǎo)致反應(yīng)失控。
②尺寸：它們是內(nèi)置式的，占據(jù)催化劑床中的寶貴空間，這會(huì)導(dǎo)致不希望的壓降和溝道效應(yīng)。


圖1 煉油廠需要可靠的溫度測量來優(yōu)化運(yùn)營(圖片來源：Endress+Hauser)

一種新型的、堅(jiān)固的多點(diǎn)熱電偶探頭設(shè)計(jì)，通過將熱電偶套管和熱電偶傳感器集成在單個(gè)探頭中(可以節(jié)省空間)來解決這些問題，在解決故障漏洞的同時(shí)提供更高效的催化反應(yīng)。專利技術(shù)幫助自動(dòng)化系統(tǒng)，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(yùn)行時(shí)間。

熱電偶漂移和遷移
催化加氫裂化裝置通常會(huì)遇到惡劣的環(huán)境，這對過程儀表提出了巨大的挑戰(zhàn)。雖然所有熱電偶探頭都會(huì)隨著時(shí)間而漂移，但在指定設(shè)計(jì)限值和選擇儀器供應(yīng)商時(shí)，通常不會(huì)考慮機(jī)械應(yīng)力、磨損和硫化氫污染。不幸的是，這些問題會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)完全丟失，從而威脅過程安全、反應(yīng)控制和效率。

在這些類型的應(yīng)用中，行業(yè)對多點(diǎn)溫度儀器接觸液體部件的可用壽命的期望通常是一個(gè)或兩個(gè)單位的運(yùn)營周期或周轉(zhuǎn)時(shí)間，或36至48個(gè)月。隨著行業(yè)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(shè)備壽命周期的需求增加。

在很多工業(yè)應(yīng)用中都發(fā)現(xiàn)了有缺陷的熱電偶探頭，并且正在系統(tǒng)地影響所有儀器制造商。在對這種情況進(jìn)行科學(xué)檢查之后，發(fā)現(xiàn)這兩種現(xiàn)象會(huì)降低熱電偶測量的性能，它們可以單獨(dú)發(fā)生也可能同時(shí)發(fā)生：
①熱電偶漂移。氧化鎂粉末的化學(xué)污染，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)成熱電偶導(dǎo)線的兩種不同金屬成分發(fā)生變化，塞貝克效應(yīng)或熱電效應(yīng)就會(huì)導(dǎo)致電位差發(fā)生變化。雖然局部熱接點(diǎn)仍然保持完整，但一種或兩種金屬的電導(dǎo)率變化會(huì)改變測量電壓，從而對測量精度產(chǎn)生負(fù)面影響。
②熱接點(diǎn)遷移。如果硫化氫滲透到氧化鎂粉末中，會(huì)在熱電偶引線之間遠(yuǎn)離熱接點(diǎn)的位置形成新的導(dǎo)電鍵(電短路)。熱電偶仍然工作，仍能顯示數(shù)值，但這些數(shù)值是錯(cuò)誤的。

如果已識(shí)別出一個(gè)或多個(gè)有缺陷的熱電偶傳感器，運(yùn)營人員可能會(huì)決定在下一次計(jì)劃設(shè)備維護(hù)期間解決該問題。根據(jù)故障的嚴(yán)重程度及其安全關(guān)鍵性，判斷是否需要對傳感器進(jìn)行特殊維護(hù)，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備計(jì)劃外停機(jī)。

傳感器漂移
傳感器漂移或損壞會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的讀數(shù)，運(yùn)營和過程控制人員可能無法檢測到這些讀數(shù)。這種情況特別危險(xiǎn)，因?yàn)闇y量鏈中的錯(cuò)誤信息或信息缺乏，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營決策具有較低的甚至更糟的反應(yīng)效率。

根據(jù)技術(shù)調(diào)查和相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)，受污染的熱電偶傳感器的測量精度(漂移)偏差通常為負(fù)值。因此，顯示值將低于實(shí)際溫度，實(shí)際過程溫度可能比預(yù)期的更熱。除了主要的成本問題之外，這種狀態(tài)還對安全構(gòu)成了相當(dāng)大的威脅。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)假定受單一氧化鎂絕緣保護(hù)的傳感器，能提供足夠的測量準(zhǔn)確度和精度。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)的多點(diǎn)熱電偶探頭，在更具挑戰(zhàn)性的工藝條件下可能會(huì)失效。

測量準(zhǔn)確度降低
標(biāo)準(zhǔn)做法是在反應(yīng)器內(nèi)彎曲和敷設(shè)傳感器電纜探頭，以匹配所需的布局，因?yàn)檫@種靈活的安裝方法可確保測量點(diǎn)分布均勻。然而，金屬彎曲會(huì)引起膨脹和壓縮應(yīng)力，造成薄弱點(diǎn)，特別是在急彎處。

在富氫環(huán)境中，這些薄弱點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生由氫應(yīng)力而引起的開裂，隨著時(shí)間的推移，這些開裂可能會(huì)使金屬護(hù)套破裂。這種完整性的喪失會(huì)導(dǎo)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(huì)與某些化學(xué)品發(fā)生反應(yīng)，包括硫和鎳?，F(xiàn)在受污染的氧化鎂粉末，將來自熱電偶導(dǎo)體引線和金屬護(hù)套的鎳與過程中產(chǎn)生的硫結(jié)合，促進(jìn)了高導(dǎo)電性Ni₃S₂的形成。

隨著污染區(qū)域的擴(kuò)大，暴露的電線會(huì)短路，對傳感器精度產(chǎn)生負(fù)面影響，或移動(dòng)熱電偶熱結(jié)的位置。整個(gè)探頭有可能對過程溫度變化視而不見。 
 
通過傳感器設(shè)計(jì)解決問題
Endress+Hauser公司推出的iTHERM ProfileSens TS901多點(diǎn)電纜探頭，由兩個(gè)或多個(gè)嵌入到通用外金屬護(hù)套的獨(dú)立溫度傳感器組成。外護(hù)套充當(dāng)集成式熱電偶套管，而傳感器之間的空間填充有高度壓實(shí)的絕緣氧化鎂礦物粉末(見圖2)。與iTHERM ProfileSens TS901多點(diǎn)電纜探頭類似結(jié)構(gòu)和功能的熱電偶國內(nèi)稱為“鎧裝整體多點(diǎn)熱電偶”。



圖2 iTHERM Profile-Sens探頭使用氧化鎂、高純度壓實(shí)粉末來隔離每個(gè)溫度傳感器。

由于兩個(gè)傳感器彼此完全獨(dú)立，因此外部氧化鎂粉末的污染不會(huì)影響內(nèi)部傳感器的電路及其運(yùn)行。新的專利技術(shù)引入了第二層保護(hù)。額外的金屬屏障將每個(gè)測量電路隔離在其自己的氧化鎂床內(nèi)，提供完全的傳感器獨(dú)立性。這種雙重保護(hù)層，可實(shí)現(xiàn)極高的傳感器可靠性，類似于單獨(dú)的熱電偶套管，同時(shí)保持可彎曲電纜探頭的柔韌性。

多個(gè)熱電偶傳感器可以組合在一個(gè)探頭中，每個(gè)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(shù)量，分別根據(jù)工藝規(guī)范進(jìn)行調(diào)整。這種類型的設(shè)計(jì)，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(fēng)險(xiǎn)。

減少在內(nèi)置式反應(yīng)器中儀器所占用的空間，是提高轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)力的重要方法。必要硬件的數(shù)量，直接影響催化劑填充密度。影響空間的三個(gè)關(guān)鍵因素是：探頭設(shè)計(jì)、傳感器布線和安裝硬件。

①探頭設(shè)計(jì)。長期以來，標(biāo)準(zhǔn)多點(diǎn)熱電偶探頭被認(rèn)為是一種成熟的技術(shù)，但最近的研究工作重新評估了機(jī)械設(shè)計(jì)。這樣，利用先進(jìn)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(xiàn)有質(zhì)量。堅(jiān)固性和空間體積的增加，轉(zhuǎn)化為更好地利用催化劑床填料。通過簡單地減少反應(yīng)器床上的熱電偶電纜數(shù)量，減少了負(fù)面影響，提高了催化劑的反應(yīng)性和盈利能力。

②傳感器布線。通過智能傳感器布線，測量點(diǎn)可以以最有效的方式分布，同時(shí)降低了對整體空間的占用。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，使用最先進(jìn)的CAD建模軟件和布線計(jì)算，運(yùn)用多年的反應(yīng)床布局經(jīng)驗(yàn)來獲得最佳結(jié)果。

③安裝硬件。在反應(yīng)床中，布置多點(diǎn)熱電偶探頭通常需要安裝硬件，這會(huì)增加儀器的整體占用空間。然而，新的電纜探頭技術(shù)考慮到了這一要求，并減少了支架和安裝夾的數(shù)量。堅(jiān)固的探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(shí)保持可彎曲性。這可以減少儀器的占地面積，同時(shí)減少了總體硬件成本和安裝時(shí)間。提高了產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)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(xiàng)新技術(shù)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(jié)省空間；
②防止因儀器故障而導(dǎo)致的過早停機(jī)或維護(hù)；
③使設(shè)備運(yùn)行更接近其最佳性能。

典型成本增量示例，實(shí)際成本可能因產(chǎn)品規(guī)格、配置和服務(wù)而異。

通過新的設(shè)計(jì)，將可用的催化劑床體積增加了50%，并將安裝時(shí)間縮短了75%。增加的體積可用于增加催化劑負(fù)載，節(jié)省的安裝時(shí)間直接轉(zhuǎn)化為更快的周轉(zhuǎn)時(shí)間和更低的成本。

以平均每日單位盈利能力和36-48個(gè)月的連續(xù)運(yùn)營來衡量，由此產(chǎn)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(shù)100：標(biāo)準(zhǔn)多點(diǎn)安裝)雖然略高，但會(huì)通過更高的產(chǎn)量(右y軸，基數(shù)100：標(biāo)準(zhǔn)多點(diǎn)安裝)和成本節(jié)約而迅速抵消。帶來這種快速投資回報(bào)的主要因素包括：
①更高的裝置性能和轉(zhuǎn)換；
②更高的效率；
③更快的安裝和周轉(zhuǎn)；
④降低運(yùn)營成本。

隨著測量點(diǎn)數(shù)量的增加，節(jié)約效應(yīng)逐步增加，直至初始投資與增加的回報(bào)相比變得可以忽略不計(jì)的程度。新技術(shù)的穩(wěn)健性、可靠性和更長的運(yùn)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