ES2263088T3 - Metodo de medir una temperatura elevada e instrumento para ello. - Google Patents
Metodo de medir una temperatura elevada e instrumento para ello.Info
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Abstract
Un método para la medición de temperaturas elevadas de una corriente de tratamiento por medio de un termopar dispuesto en un pozo termométrico, en el que el pozo termométrico se cubre, al menos parcialmente, con una capa de un material catalítico que es activo en, al menos, una reacción endotérmica.
Description
Método de medir una temperatura elevada e
instrumento para ello.
El invento se refiere a la medición de
temperaturas elevadas en reactores químicos. Específicamente, está
dirigido a la medición de temperaturas en reactores catalíticos en
los que se llevan a cabo reacciones endotérmicas a altas
temperaturas. En la industria petroquímica, los reformadores
autotérmicos funcionan en estas condiciones.
En los reformadores autotérmicos o
gasificadores, el gas de tratamiento que entra en el lecho de
catalizador está, típicamente, a 1000-1500ºC y
contiene hidrocarburos, hidrógeno, monóxido de carbono, vapor de
agua y, en ocasiones, nitrógeno. En estas severas condiciones, lo
más frecuente es que no se mida la temperatura.
En la patente norteamericana núm. 6.302.578 se
describe una disposición para medir una temperatura que muestra un
pozo termométrico instalado en una pared gruesa de un reactor. La
disposición es tal que haya una capa de ladrillos "de cara
caliente" entre el interior del reactor y el extremo del pozo
termométrico con un termopar que está, así, protegido contra las
altas temperaturas.
En el documento PCT/US91/05432 se describe otro
sistema de medición de altas temperaturas. En este caso, el
termopar está protegido por medio de capas de aislamiento cerámico y
una funda de cerámica.
Sin embargo, estos instrumentos están protegidos
de los gases de la reacción y no ofrecerán un indicación inmediata
de los cambios de temperatura de los gases. Esto tiene una especial
importancia en el caso de la temperatura de los gases que entran en
un lecho de catalizador en los reformadores autotérmicos, ya que
esta temperatura es extremadamente sensible a los cambios de la
relación de flujo entre la alimentación de hidrocarburos y la fuente
de oxígeno.
El documento US 2002/159500 describe un aparato
y un método para medición de la temperatura con un termopar
introducido en un pozo termométrico, estando éste cubierto con un
tubo protector.
El documento US 5.125.793 describe un método
para enfriar álabes de turbina recubriéndolos con un catalizador
endotérmico.
El documento US 5.070.024 describe un termopar
recubierto con un catalizador endotérmico para detectar gases de
hidrocarburos que provocan una caída de la temperatura en el
termopar cuando el catalizador provoca una reacción de craqueo.
El invento proporciona un método para medir
temperaturas elevadas en una corriente de tratamiento por medio de
un termopar dispuesto en un pozo termométrico, en el que el pozo
termométrico está cubierto, al menos parcialmente, por una capa de
material catalítico que se activa en, al menos, una reacción
endotérmica.
Además, se refiere a un sistema de medición de
la temperatura en el que el pozo termométrico se instala en un
reactor introduciendo el pozo termométrico a través de un orificio
en una pared del reactor de modo que el extremo del pozo
termométrico se encuentre en contacto con la corriente de
tratamiento.
Por tanto, es posible hacer que la corriente de
gases calientes entre en contacto con el pozo termométrico, ya que
la reacción endotérmica en el catalizador mantiene la temperatura de
la superficie metálica del extremo del pozo termométrico en un
valor considerablemente más bajo que el de la temperatura del gas.
De esta manera, pueden detectarse instantáneamente los cambios de
temperatura de los gases.
La Fig. 1 es una vista en sección transversal de
un instrumento medidor de temperatura de acuerdo con una realización
específica del invento.
La Fig. 2 es una vista frontal de la Fig.1.
La Fig. 3 ilustra una instalación típica del
instrumento medidor representado en las Figuras anteriores.
El invento está dirigido, especialmente, a la
medición de la temperatura en reformadores autotérmicos en los que
los hidrocarburos sufren, primero, una oxidación parcial y, luego,
son sometidos a un tratamiento de reformación.
La oxidación parcial es una reacción exotérmica
mientras que el tratamiento de reformación es un tratamiento
endotérmico, por lo que la primera reacción proporciona calor al
segundo tratamiento.
Mediante la oxidación parcial, parte de los
hidrocarburos reaccionan para formar óxido de carbono y vapor de
agua:
CH_{x} + 1/2 \
O_{2} \leftrightarrows CO + x/2 \ H_{2} +
calor
El gas de tratamiento resultante sufre,
entonces, una reacción de reformación:
C_{n}H_{m} +
H_{2}O \leftrightarrows
C_{n-1}H_{m-2} + CO + 2 \ H_{2} -
calor
CH_{4} +
H_{2}O \leftrightarrows CO + 3 H_{2} -
calor
CO + H_{2}O
\leftrightarrows CO_{2} + H_{2} +
calor
La reformación global es una reacción
endotérmica.
En la entrada del reactor se mezclan un gas de
alimentación de hidrocarburo y un gas que contiene oxígeno.
El gas de alimentación de hidrocarburo contiene,
típicamente, vapor de agua, hidrocarburo, hidrógeno y óxidos de
carbono, y es alimentado al reformador a temperaturas de entre 100 y
900ºC. La fuente de oxígeno es oxígeno puro, aire o cualquier
mezcla de los mismos, a una temperatura comprendida entre la
temperatura ambiente y hasta 700ºC.
La presión en el reactor puede ser de
2-8 MPa, más frecuentemente es de
2,5-5 MPa y, cuando se mezclan las corrientes de
alimentación, se inicia el tratamiento exotérmico de oxidación.
Aunque el contenido de oxígeno corresponda a,
sólo, la combustión parcial del hidrocarburo, el aumento de
temperatura es extremadamente alto.
En el espacio comprendido entre la entrada del
reactor y el lecho de catalizador da comienzo la reacción
endotérmica de reformación debido a la alta temperatura y finaliza a
1000-1500ºC. Con relaciones de vapor de
agua/carbono de 1,5, esta reacción termina a unos 1250ºC y con una
relación entre vapor de agua y carbono de 0,8, termina a unos
1335ºC.
La reacción continúa en el lecho de catalizador
hasta conseguirse casi la conversión completa de los hidrocarburos
y la temperatura del gas de tratamiento reformado, que ha
reaccionado es, típicamente, de 900-1100ºC.
Mediante el método del invento, la temperatura
del gas que entra en el lecho de catalizador es medida por un
termopar situado en un pozo termométrico provisto de una capa de
catalizador que es activo en reacciones endotérmicas de catálisis.
Aunque se trata de una capa relativamente delgada y la reacción
puede no completarse, la reacción endotérmica enfriará
considerablemente la superficie del pozo termométrico.
Al mismo tiempo, la señal procedente del
instrumento medidor de temperatura del invento es más fuerte que la
obtenida a partir de una medición de acuerdo con la técnica
anterior. Esto se detalla en lo que sigue.
En caso de que la corriente de alimentación que
contiene oxígeno, dirigida a un reformador autotérmico aumente
durante un funcionamiento normal, se oxidará una cantidad
incrementada de hidrocarburo a reformar. Esto tiene como
consecuencia que la temperatura aumente y que disminuye la cantidad
restante de hidrocarburo a reformar.
A esta temperatura de inicio más elevada de la
reacción endotérmica, aumenta la conversión en el espacio en donde
no existe catalizador. Por tanto, en el catalizador tiene lugar una
reacción mucho menos endotérmica.
Esto quiere decir que la caída total de
temperatura en el reactor se hace menor, que aumenta la caída de
temperatura en el espacio vacío y que la caída de temperatura a
través del catalizador disminuye en una medida aún mayor que la
disminución total de la caída de temperatura.
En este cambio de situación funcional, un
instrumento medidor de temperatura, usual, instalado justamente
aguas arriba del catalizador, detecta un incremento de temperatura
correspondiente, menor que el incremento de temperatura en la
entrada del reactor. Contrariamente a esto, un instrumento medidor
de temperatura de acuerdo con el invento detecta un aumento de
temperatura correspondiente a la temperatura de salida del
catalizador, y este incremento de temperatura es aún mayor que el
incremento de temperatura en la entrada del reactor.
La misma diferencia de cambio de temperatura se
aplica, también, cuando disminuye la cantidad relativa de
oxígeno.
Lo que antecede ilustra que el invento ofrece
las ventajas de medir la temperatura con una temperatura mucho más
baja de la superficie metálica, generar una señal más fuerte, y
realizar la medición en la entrada propiamente dicha del gas al
lecho de catalizador. La medición del gas de salida del catalizador
o la medición tras un escudo, crearía un retardo de tiempo
considerable.
La temperatura del gas de tratamiento
parcialmente quemado es muy sensible a la relación entre el flujo
de hidrocarburo y el flujo de la fuente de oxígeno.
Consiguientemente, es sumamente deseable
detectar un cambio en esta temperatura lo más rápidamente posible.
Esto puede conseguirse merced a la medición de temperatura de
acuerdo con el invento.
Una realización preferida del invento se muestra
en la Fig. 1. El empalme de medición 1 del termopar 2 está
instalada en el extremo del pozo termométrico 3, y el extremo de
éste está cubierto con una capa catalítica 4. Esta se encuentra en
contacto con el gas de tratamiento contenido en la cámara 5 del
reactor. La superficie interior de la pared del reactor está
cubierta de losetas 10 que son capaces de soportar las elevadas
temperaturas de la reacción. La superficie exterior de la pared del
reactor constituye el cuerpo 11 del reactor, diseñado para trabajar
a una presión de funcionamiento máxima. Entre 10 y 11 están
instaladas tres capas 12, 13 y 14, de material refractario,
aislante.
El extremo del pozo termométrico está algo
retirado de la superficie interior de la pared del reactor a fin de
protegerlo contra la radiación procedente de la llama en la parte
superior del reactor. El extremo del pozo termométrico está de
20-50 mm de la superficie interior de la pared.
Como la dilatación térmica de las baldosas y del
refractario difiere de la del cuerpo metálico de presión, al que
está conectado el pozo termométrico, la altura del orificio en las
baldosas y la capa exterior del refractario será mayor que la
anchura del orificio. Las dimensiones están adaptadas a las
dilataciones térmicas que, en los reformadores autotérmicos
industriales tienen, típicamente, una altura de
80-100 mm y una anchura de 35-40 mm.
Esto se ilustra con mayor detalle en la Fig. 2.
En el pozo termométrico, el grosor de la capa 4
de catalizador es de desde 0,2 a 0,5 mm. En otra realización, el
extremo del pozo termométrico se introduce en una tableta de
catalizador y, entonces, la "capa de catalizador" tiene de
0,5-5 mm, siendo más frecuentemente, de
0,5-2 mm.
De 20 a 200 mm del extremo del pozo termométrico
pueden estar cubiertos por el material catalítico; estando
cubiertos, con la máxima frecuencia, de 40 a 80 mm.
El catalizador 4 puede ser cualquier catalizador
activo en una reacción de reformación. Especialmente, son muy
adecuados los catalizadores de metales nobles.
La Fig. 3 muestra donde puede instalarse un pozo
termométrico del invento en un reformador autotérmico. La
alimentación 1 de hidrocarburo se mezcla con la alimentación 2 que
contiene oxígeno y la combustión parcial tiene lugar en el quemador
3. La temperatura del gas de tratamiento es medida por el termopar 4
antes de entrar en el lecho 5 de catalizador, donde se completa la
reformación hasta obtener el gas producto 6.
En la industria, el invento encuentra utilidad
en gasificadores tales como reformadores autotérmicos que producen
gas de síntesis en instalaciones para la fabricación de amoníaco,
hidrógeno, metanol y gas H_{2}/CO. En todos estos reactores, es
muy importante supervisar a fondo su comportamiento y, en especial,
las temperaturas, a fin de obtener un funcionamiento seguro y
estable.
En una instalación piloto de ensayo dotada de un
reactor adiabático, se llevaron a cabo dos experimentos en
condiciones de reformación autotérmica.
En ambos experimentos, la presión fue de 28
kg/cm^{2} g (2,8 MPa). La alimentación de hidrocarburo estuvo
constituida por 97,4 m^{3}/h N de gas natural con 2 m^{3}/h N de
hidrógeno a 562ºC.
La relación vapor de agua/carbono fue de 0,38
(sobre una base molar).
El oxígeno se alimentó a 219ºC.
Se instalaron dos termopares
TI-1 y TI-2 para medir el gas que
entra en el lecho de catalizador.
TI-3 medía la salida del gas del
lecho de catalizador.
Se obtuvieron los siguientes resultados:
\vskip1.000000\baselineskip
| Datos medidos | 1er experimento | 2do experimento |
| O_{2}/gas natural, en volumen | 0,519 | 0,576 |
| TI-1, ºC | 1163 | 1201 |
| TI-2, ºC | 1184 | 1221 |
| TI-3, ºC | 991 | 1068 |
| Datos calculados | ||
| T, entrada, media | 1174 | 1211 |
| \DeltaT, entrada-salida | 183 | 143 |
| Aumento de T, entrada, media del 1ro. al 2do. experimentos | 37 | |
| Aumento de T, salida, media del 1ro. al 2do. experimentos | 77 |
\vskip1.000000\baselineskip
Esto demuestra que cuando aumenta el contenido
de oxígeno, la reacción y la caída de temperatura disminuyen en el
lecho del catalizador. Asimismo, el incremento entre el experimento
1 y el 2 de la temperatura en la entrada del catalizador es menor
que el aumento de temperatura en la salida del catalizador. De esto
se desprende que un termopar instalado en un pozo termométrico
recubierto de catalizador, proporciona una señal más fuerte y con
una temperatura inferior de la superficie metálica.
Claims (10)
1. Un método para la medición de temperaturas
elevadas de una corriente de tratamiento por medio de un termopar
dispuesto en un pozo termométrico, en el que el pozo termométrico se
cubre, al menos parcialmente, con una capa de un material catalítico
que es activo en, al menos, una reacción endotérmica.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que el extremo del pozo termométrico se cubre con el material
catalítico mediante una capa con un grosor de 0,2-5
mm, preferiblemente de 0,5-2,0 mm.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que el pozo termométrico se instala en un reactor introduciendo
el pozo termométrico a través de un orificio que penetra en la pared
del reactor de forma que el extremo del pozo termométrico esté en
contacto con la corriente de tratamiento.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 3, en
el que el extremo del pozo termométrico se encuentra de
20-50 mm por detrás de la superficie interior de la
pared del reactor.
5. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que la temperatura se mide en una corriente de tratamiento que
está siendo sometida a una reacción de reformación con vapor de agua
en un lecho catalítico.
6. Método de acuerdo con la reivindicación 5, en
el que la temperatura se mide aguas arriba del lecho de
catalizador.
7. Método de acuerdo con la reivindicación 5, en
el que la reacción de reformación con vapor de agua se lleva a cabo
en un reformador autotérmico.
8. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en
el que el material catalítico es activo en la catálisis de
reacciones de reformación con vapor de agua.
9. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de tratamiento
medida tiene una temperatura de 1000-1500ºC.
10. Un instrumento medidor de temperatura que
comprende un termopar (2) introducido en un pozo termométrico (3),
caracterizado porque el pozo termométrico está cubierto, al
menos parcialmente, por una capa (4) de un material catalítico que
es activo en, al menos, una reacción endotérmica.
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