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K型熱電偶

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K型熱電偶反應不均衡問題分析與解決

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2019-11-06

    摘 要 : K型熱電偶反應不均衡,通過對相關現象進行分析,找出其原因為中心管分布器堵塞導致氣體分布不均,解決了催化劑床層溫度分布不均,產量低、壓差高等問題。

    1 流程概述
    某80kt/a 甲醇裝置甲醇合成工藝采用 Davy 技術,K型熱電偶由高、低壓兩個K型熱電偶串、並聯組成,K型熱電偶大小及結構完全一致。從壓縮機過來的新鮮氣通過控製閥調整流量後分別進入兩個K型熱電偶,低壓塔(D121)出口氣經過循環機後在進出口換熱器中加熱後進入高壓塔(D122),高壓塔出口氣部分弛放到 PSA 回收氫氣,其餘氣體與新鮮氣混合加熱後進入低壓塔入口。每個K型熱電偶均設置一蒸汽汽包以控製K型熱電偶催化劑床層的溫度,蒸汽匯合後由調節閥控製壓力進入換熱器回收熱量,其工藝流程如圖1所示。

 

1.jpg

    K型熱電偶采用 Davy 專利技術,催化劑裝填在殼程,冷卻水走管程,進口原料氣由底部進入中心管氣體分布器,分別經過進口絕熱催化劑床層(T1)、恒溫催化劑床層(T2、T3)、出口絕熱催化劑床層(T4)後從K型熱電偶中間部位離開K型熱電偶。該塔從上到下共設置了10層(A-J)熱電偶,共有80個溫度監控點,因該塔型結構,催化劑床層上(A、B 點)、下部(J 點)存在一些相對流動不充分區域,其結構示意簡圖如圖2。

 

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    2 K型熱電偶反應不均衡現象
    該裝置在幾次緊急停車恢複開車後,K型熱電偶反應明顯不均衡,主要現象為 :1. 低壓塔 T1床層溫度不均勻,剔除相對不流動區域,T1床層內溫度低點溫度為235℃,屬於正常範圍,而高點溫度(非 A、B、J 區域)在300℃,屬於超溫狀態,高低溫差最大有65℃,而高壓塔 T1床層溫度基本在235℃左右,溫差僅為7℃。2. 低壓塔粗甲醇產量較高壓塔產量低了5t/h。

 
    3 K型熱電偶反應不均衡原因分析
    K型熱電偶反應不均衡的原因主要有催化劑、工藝條件及設備方麵等影響因素,本文主要從以上幾方麵進行分析,查找導致K型熱電偶反應不均衡的原因。

    3.1 催化劑裝填不均勻
    催化劑裝填是否均勻、氣體流向的阻力降是否一致會導致氣體的分布及流量的不一致。裝催化劑過程中內窺鏡檢查了所有列管周邊並清理幹淨 ;催化劑裝填均是一節一節中心管高度裝填,靠近中心管附近的催化劑床層相對較密實,遠離中心管的催化劑隻能通過一定坡度自流。盡管這種方式會造成K型熱電偶徑向一定的密實度差異,但對兩個塔氣體流向的阻力降是一致的,而且兩個塔裝填的方式、催化劑的裝填高度和重量也差不多 ;同時在裝填後開車及正常運行過程中並無上述不均衡的現象發生,所以催化劑裝填不均勻基本可以排除。

    3.2 催化劑活性
    高、低壓塔催化劑活性不一致會導致K型熱電偶反應的不均衡,一個塔活性差、一個塔活性好會造成一個塔出口溫度高,而一個塔出口溫度低,甚至形成惡性循環導致超溫或垮溫。但 T1床層溫差65℃不是催化劑活性不一致所造成,若部分活性下降,進口絕熱床層溫度應該有所下降,而不是升高,從以往催化劑末期運行數據來看, T1溫度與進口溫度的溫差也是逐步降低的。

    3.3 K型熱電偶入口氣體組分
    甲醇合成主反應的方程式為 :
                        CO+2H2=CH3OH+Q
                       CO2+3H2=CH3OH+H2O+Q
    從甲醇反應方程式可以知道,入口氣體組分直接影響甲醇合成反應,若高、低壓塔入口氣體組分偏差較大會導致兩塔產量不一致現象的發生,但通過多次對兩塔進口組分進行分析和調整新鮮氣量分配,入口氣體組分相差不大,H/C 基本一致,維持在6左右。同時入口氣體組分不一致也不可能導致K型熱電偶 T1床層內溫差那麽大,因此該因素得以排除。

    3.4 K型熱電偶進口溫度與汽包壓力
    在正常操作過程中,主要是通過K型熱電偶入口溫度和汽包的壓力來控製合成的反應和出口溫度。若合成一個塔入口溫度調節閥已無調整空間,而另一個塔則還有很大的調整空間,這說明兩個塔的反應已經出現不均衡的狀態。通過分開控製汽包壓力可適當調整反應的均衡性,不至於出現超溫或垮溫等異常情況的發生。從文初提到的異常現象來看,是因為發生了不均衡現象,才通過分開調整汽包壓力來控製K型熱電偶進口溫度,防止反應的進一步惡化。

    3.5 空速
    空速的大小會隨合成反應、負荷、合成回路壓力、循環缸入口導葉開度等情況而變化,空速的大小影響停留在催化劑床層的反應時間,對於絕熱床層而言,空速大有利於控製溫度的上漲。

    對於低、高壓塔而言,空速是基本一致的,而在低壓塔T1出現那麽大的溫差,該溫差接近正常溫度與流動不充分區域(A、B 點)溫度的溫差,而從以往正常數據來看,這些床層溫度都應該隻是略高於正常溫度,從文中分析的催化劑活性、進口溫度等情況來看,均不足以導致該現象,初步判斷該區域催化劑床層出現了類似於流動不充分區域的情況,空速大幅度降低導致熱量不能及時移走而超溫 [1]。

    3.6 中心管氣體分布器部分堵塞
    K型熱電偶中心管氣體分布器布滿了直徑為2mm 的小孔,以確保氣體能基本均勻進入到各床層的催化劑,如若部分小孔被堵塞,則可能導致氣體分布的不均勻,結合上節的空速分析,因低壓塔中心分布器部分堵塞,導致進入 T1床層 C-I 區域的氣體分布和空速不一致,形成了類似流動不充分區域,從而導致溫度的很大差異。

    該現象均是在緊急停車後加劇隨後穩定在一定範圍,共經曆三次緊急停車,判斷在緊急停車情況下,壓力快速變化導致部分催化劑粉塵和合成回路的一些鐵屑等雜質進入分布器堵塞分布器小孔。因催化劑床層各位置的空速不一致,導致部分床層超溫,有效催化劑產能受限從而影響整體的產量。

    3.7 故障解決
    在判斷是中心管堵塞導致合成反應不均衡情況下,考慮到催化劑使用年限不長,在氮氣環境下由專業人員進入中心管,對分布器小孔進行逐個疏通,重新開車後不均衡現象消除,低壓塔 T1床層溫差降低到10℃;合成汽包壓力控製在1.9MPa,與高壓塔一致 ;粗甲醇產量恢複正常 ;低壓塔壓降降低到0.38MPa,與高壓塔基本一致 ;通過分析清理中心管分布器帶出的雜質,主要為催化劑粉塵和鐵鏽,該故障得以解決。同時為防止以後類似故障的發生,在每次更換催化劑的過程中均將卸下的中心管進行徹底清理,每次均能發現些許的堵塞現象。

    4 結束語
    產生合成反應不均衡的原因有很多,不均衡的現象也不盡相同,目前已經有幾套 Davy 甲醇裝置發生了中心管分布器堵塞的情況發生,希望相關不均衡現象的原因分析能為類似裝置起到借鑒作用。