Radialny system pomiaru temperatury w zastosowaniach rafineryjnych

Cofnijmy się na chwilę do połowy lat osiemdziesiątych. Po upływie dekady od kryzysu naftowego przemysł petrochemiczny znalazł się pod silnym naciskiem ekonomicznym. Operatorzy rafinerii mieli trudności z uzyskaniem optymalnej wydajności swoich instalacji. Wielu z nich podjęło uzasadnioną decyzję ulepszenia reaktorów za pomocą nowej generacji wysokoaktywnych katalizatorów.

Katalizatory te zapewniają w końcu lepszą selektywność i prędkość przetwarzania, co zwiększa produktywność i rentowność. Jednakże stanowią jednocześnie źródło dodatkowych problemów dla operatorów rafinerii: w instalacjach do hydrokrakingu wysokoaktywne katalizatory mogą zwiększyć prędkość reakcji.

Jedną z konsekwencji tych procesów egzotermicznych jest zjawisko zwane najczęściej niestabilnością cieplną. Niestabilność ta może być niebezpieczna, jeżeli zostanie wykryta zbyt późno, ponieważ nagłe wzrosty temperatury mogą przekroczyć limity metalurgiczne ścianek reaktora, co może skutkować katastrofalnym uszkodzeniem i utratą szczelności.

Takie wyzwanie stanęło przed prostymi termometrami wielopunktowymi z gniazdem rurowym, które były powszechnie używane w zastosowaniach przemysłowych trzydzieści lat temu. Niestety, ich konwencjonalna budowa nie do końca nadawała się do monitorowania temperatury w reaktorach wyposażonych w katalizatory nowej generacji. Było to spowodowane przez trzy główne problemy:

• Czas reakcji: Gniazdo rurowe było przeznaczone do stosowania w warunkach wysokiego ciśnienia w instalacjach do hydrokrakingu i hydrorafinacji. Z drugiej strony, gruba metalowa ścianka rurki spowalniała czas reakcji termometru, co oznacza, że jego reakcja na niestabilność termiczną reaktora była zbyt powolna.
• Kanałowanie: To negatywne zjawisko zostało zaobserwowane wzdłuż gniazd rurowych, które były zwykle montowane pionowo. Medium procesowe przepływało przez reaktor szybciej, jak przez kanał, przez co katalizator nie miał wystarczającej ilości czasu na przetworzenie produktu.
• Ograniczona możliwość rozmieszczenia punktów: Punkty detekcji były nieodpowiednio rozłożone. Były ograniczone do liniowej geometrii gniazda rurowego, przez co znaczna część reaktora pozostawała bez możliwości pomiaru temperatury. Ryzyko braku wykrycia punktów o podwyższonej temperaturze prowadziło do zmniejszenia żywotności katalizatorów i/lub niestabilności cieplnej.

UKŁADY Z ELASTYCZNĄ TERMOPARĄ

Fot. 1. Promieniowy rozkład punktów detekcji wewnątrz reaktora

W odpowiedzi na te wymagania firma Gayesco (obecnie spółka Grupy WIKA) postanowiła opracować układy z elastyczną termoparą. Były one od tamtego czasu regularnie dostosowywane do zmieniających się wymagań przemysłu petrochemicznego i są używane do dziś pod nazwą Flex-R w różnorodnych zastosowaniach w reaktorach z pojedynczym złożem oraz wieloma złożami.

Opracowanie ich zasady działania było owocem bliskiej współpracy pomiędzy inżynierami procesowymi, użytkownikami i licencjodawcami: specjalnie zaprojektowany kabel płaszczowy o izolacji mineralnej odznaczał się ogromną wytrzymałością i w związku z tym nie tylko wyparł gniazdo rurowe, ale też pozwolił na dowolną konfigurację punktów detekcji.

Wynikiem tej pracy był radialny system do pomiaru temperatury z bardzo szybkim czasem reakcji wynoszącym ok. 4-8 s (a nie 3 minuty jak w przypadku konwencjonalnych gniazd rurowych). Dzięki temu operatorzy zyskali czas umożliwiający reagowanie na potencjalną niestabilność termiczną i podjęcie właściwych środków zaradczych. System ten pozwolił na większe zagęszczenie punktów, co wcześniej nie było możliwe.

Termopary Flex-R z czułymi końcówkami są montowane w reaktorach za pomocą specjalnych systemów mocowania, co marginalnie wpływa na bieg procesu.

Termometry Flex-R są montowane do reaktora kołnierzowo lub mocowane na złącze śrubowe wysokiego ciśnienia (gwint radialny), jeżeli jest mało miejsca. Po zainstalowaniu stają się integralną częścią reaktora i narzędziem wspierającym operatorów rafinerii w staraniach zmierzających do redukcji kosztów. Na przykład, gdy katalizator jest usuwany podczas wymiany, układ pomiarowy wciąż pozostaje wewnątrz zbiornika. Technicy serwisowi mogą kalibrować termoparę na miejscu lub naprawiać MI kabel, jeżeli płaszcz uległ uszkodzeniu przy usuwaniu katalizatora.

W kolejnych latach obok Flex-R opracowano więcej elastycznych termometrów wielopunktowych. Inni producenci próbowali naśladować funkcjonalność systemu opracowanego przez Gayesco, jednak większość z tych urządzeń miała geometrię liniową z wieloma punktami detekcji w pojedynczym płaszczu. Nadawały się jedynie, jako tanie rozwiązania, do rejestracji liniowych gradientów temperatury.

Ponadto ze względu na skomplikowaną budowę wewnętrzną z wieloma punktami detekcji w jednym płaszczu nie miały one żadnych zabezpieczeń, a ich naprawa na miejscu była niemożliwa. Jeżeli płaszcz zewnętrzny uległ uszkodzeniu, operator tracił wszystkie punkty detekcji jednocześnie.

SZEROKI ZAKRES ZASTOSOWAŃ

Fot. 2. Montaż termopar w reaktorze

Stabilność pracy systemu Flex-R najlepiej ilustruje pierwszy wielopunktowy termometr z tej serii, który został zamontowany przez Gayesco w reaktorze w rafinerii Shell w Woodriver (Illinois) w 1988. Wszystkie 260 punktów detekcji umieszczone na kilku poziomach złoża katalizatora działają od dwudziestu sześciu lat bez żadnych problemów i nawet bez jednej usterki, mimo że katalizator był usuwany wielokrotnie.

Korzyści z radialnego pomiaru temperatury w reaktorze to nie tylko możliwość wykrycia skoków temperatury, co było pierwotnym celem nowego systemu pomiarowego. Te same przyrządy dostarczają również dane na temat złego rozłożenia katalizatora wewnątrz zbiornika i pomagają w przewidywaniu jego żywotności. Elastyczne termometry wielopunktowe mogą też zostać użyte do oceny wydajności w górnej części złoża.

Szybko okazało się, że wielopunktowe rozwiązania opracowane przez Gayesco mają ogromną liczbę potencjalnych zastosowań w rafineriach. Mogą one między innymi zostać użyte do monitorowania katalizatora w procesach styrenowych i kolumnach destylacyjnych, do kontroli regeneracji katalizatora w urządzeniach do reformingu (FCR) lub do pomiaru temperatury w diplegach i cyklonach podczas fluidalnego krakingu katalitycznego (FCC).

Wprowadzone kilka lat temu przepisy znacznie zwiększyły wymagania dotyczące poziomu emisji. Wywarło to ogromny wpływ na jakość i czystość paliwa - zwłaszcza zawartość siarki. W odpowiedzi nastąpił geometryczny wzrost liczby elastycznych termometrów wielopunktowych stosowanych w urządzeniach do hydrokrakingu i hydrorafinacji.

Niestety, duże zagęszczenie punktów pomiarowych (nawet Flex-R) w reaktorach powodowało negatywny wpływ na natężenie przepływu i rozkład medium procesowego, a więc również na jakość produkowanego paliwa. Wychodząc naprzeciw, firma Gayesco opracowała specjalne niewielkie elementy mocujące dla swoich termopar, aby zredukować negatywne konsekwencje dla procesów reakcji do minimum.

Oprócz systemu wsporników istotna jest też wiedza praktyczna firmy na temat optymalnego prowadzenia termopar w reaktorze. Wysiłki inżynierów w działach badań i rozwoju zmierzające do ciągłego usprawnienia termometrów wielopunktowych nie ustają. Najnowocześniejsze termometry wielopunktowe wykorzystują główne oraz pomocnicze układy bezpieczeństwa.

Są wyposażone w podwójną komorę uszczelniającą, która opcjonalnie może być monitorowana - na wypadek rozszczelnienia pierwszej strefy. Standardem systemu Flex-R firmy Gayesco są także dodatkowe urządzenia uszczelniające dla przejść pomiędzy termoparami. Ponieważ rozmiar termopary może być różny w zależności od zastosowania, wytrzymałość nadal stanowi istotny problem.

Dlatego Gayesco stawia na specjalnie zaprojektowane MI kable do termopar, a nie standardowe rozwiązania alternatywne. Bezpieczeństwo procesu jest dla nas najważniejsze.

Robert Torgerson, Gayesco International
Kai Grabenauer, Wika
Wojciech Jakubowski, Wika Polska
WIKA Polska spółka z ograniczoną odpowiedzialnością sp. k.
www.wikapolska.pl