CN1026614C - 含有对抗性环镜的处理容器内部温度测定仪 - Google Patents

Abstract

一个利用高温计测量装有夹杂固体的气体的封闭容器或管道内部温度的仪器，利用一个光学通路的引入口，其中包括一个高强度的观察管(7)、一个安全阀(5)、一双观察镜片(21、22)、各种清洗设备联接和光学定位(距)装置。一个动态的清洗系统，在正常运行时可保持光学观察通道清洁，而在容器或管道内部运行失常时该通道被堵塞也能进行清洗。光学通道入口装在容器或管道(8)的外壁上。

Description

本发明就一般而论，是关于充气容器或管道中的温度测量问题。更详细点说，它是关于含有高温计的系统的改进，这种高温计是专门用于测量反应室里提高后的温度的。一个以烃基燃料部分氧化而气化的方法，生产合成气体的发生器，就是这类反应室的一例。

一个气化过程可能包括气体、液体或固体烃基的气化。其中含不同浓度的不可气化的灰分物质。这种气化反应是在高温和高压的反应容器内部进行，该反应容器是由内部连续多层地敷以耐火材料的内衬。根据烃基原料的组成成分，各种热态气体在这样过程中产生，正常情况下都含有（由反应）带来的不能转化的碳的颗粒，参加反应的烃燃料，熔化的灰分和/或不熔化的高熔点灰分物质。在这样过程中使用的反应室的内部耐火墙，常会生成一层熔化了的灰渣，垂直地顺墙流下，直奔底部出口。

在如上所述的气化过程中，具有一套可靠的反应室温度测定装置是很重要的。温度测量的可靠性多方面地影响气化过程的操作，包括对反应的控制、过程运行安全、耐火衬的毁坏率、以及熔化灰分的粘度控制，控制粘度的目的是保证有通过反应器底部排除适当的灰渣。

考虑到温度测定，曾使用过辐射高温计来测量诸如气化反应器及其相似设备的热表面和热态大气的温度。辐射测高温技术包括热态环境发散出的热辐射的测定和由辐射定律有关的知识和关于要测量的表面和/或气体的辐射特性的知识或合理假设推论出其温度。

用以测量辐射的固态辐射探测器是十分精密的而且需要与被测温的大气环境隔离。正常情况下，这种隔离是用观察镜片窗口的形式以及一个气体清洗观察孔口通入容器外壳和其耐火衬的办法来实现的。这种办法为探测器提供了一个直通容器的内部的清洁的光学观察通路。

上述隔离方法的一个缺点在于，不论何时只要被测的大气中含有熔化了的颗粒，清洗过的观察孔就会被阻塞。在这种条件下，熔化的颗粒就可能被与其相邻的清洗观察孔的冷却器清洗气体冻结。因而光学观察通路就会逐渐地被积累的物料所堵塞。

关于解决这个问题的以前的一个专利，是在高温计与高温反应器之间维持一个敞开的观察通路，此专利是美国专利No.4，411533。这个发明包括一个由观察孔的壁面和顶部组成整体的顶棚架，以便把熔化的物料从孔口的顶部引开，和一个由观察孔的底部组成整体的倾斜的荫避通道，以便把熔化的物料从孔口的底部疏放走。

上述系统在实践中可能会遇到几个困难。当生产出来的反应气体携带高浓度的熔化颗粒时，大量的熔化物料从容器内部的纵向墙 壁上流淌下来，减弱伸长棚架把物料引开远离观察孔的能力。此外，如果熔化的物料与用作伸长棚架的耐火材料有化学侵蚀作用时，此棚架就被侵害以至磨损掉。

但是，主要困难还在于清洗气体，清洗气体用来保护光学窗口和观察孔免受反应室内部的高温气体影响，而此清洗气体同时也冷却伸长的棚架。其结果使此棚架就成了冷却了的点，而此冷却点促使接触到它的熔化物料冻结，以致于有足够的冷冻物料积聚，而使整个观察孔被堵塞。

另一个以前的专利，美国专利No.4，400，097，此专利的作者们发明了一个含有一个高温计的辐射测量仪。高温计以一个伸长了的、穿过容器的耐火衬的测量管道从气化器式反应器接受辐射。测量管道提供了一个防止气体从容器中漏泄的安全室。安全室是一个密封的有两个光学窗口的小间。光学窗口是为防止灰尘和氮气清洗流的凝结液进入光学管内。在第二个外部光学管里流动的蒸汽是用以维护一清洁的开孔通进反应器。此外，还有第三个抗热窗口，用来防止蒸汽回流进内光学管和凝结在安全室的窗口上。

上述以前的两项专利的共同的另一弱点是，最靠近反应室的观察孔的最后部分为一简单地钻通了容器的耐火衬的孔。这类孔眼很容易被热和机械应力弄歪或毁坏。这些应力可能在周密设计的反应室内占优势。由于热膨胀差的结果，某一耐火层可能与另外的耐火层错开，这样就可能部分地或全部地堵塞观察通道。反应室内迅速 变化着的温度能使孔口边缘周围的耐火衬裂开，当这耐火衬一片片地脱落时，孔口就扩大，观察通道则难于清洗和清除堵塞物。

总之，以前的技术所提供的仪器易发生问题，或被积聚的在观察孔口周围的冻结的物料堵塞观察通道，或由于最靠近反应室的耐火材料的孔口部分的错开或毁坏而堵塞观察通道。

为了克服上述障碍而获得可靠的温度测量，在此提供一套新颖的改进系统，此系统使用测量反应容器内的高温的高温计。

本发明的一个目的是提供一个改进了的对抗性环境的温度监视系统，其中使用了高温计。

另一目的是提供一个改进了的光学引进口通向有粗糙的颗粒的环境，以获得要求有清洁的观察通道的光学测量设备，以便取得测量的精确性和可靠性。

进一步的目的，是提供一个通到对抗性的环境中的耐久的光学引进口，而不会被此环境毁坏或弄歪。

再进一步的目的是提供周期性地清洗高温计观察通道的装置，此观察通道常被堵塞。

简单地说，本发明是关于测量在以耐火材料加衬的反应室或管道中的携带固体的热态气体温度的装置。特别要说明的是反应室，其中携入的固体的熔化碎片，总要在反应室或管道的壁面上形成熔化物质层。

这种仪器有一个高温计，诸如红外线比例高温计，通过一镶着两 块观察镜片的双端凸缘管件观察反应室或管道内，一个观察通路的开口安全阀，和一耐火金属的观察管。为了安放此观察管，就在容器或管道的单层或多层耐火材料衬层钻通一个孔。所钻的孔与一端联在容器或管道上的法兰盘孔口同轴心。此观察管插入联接孔口，使其最前端与加衬的容器或管道内表面取平。孔口的在耐火衬中的尺寸应与观察管和耐火衬之间留一小的环形缝隙。

另外，还提出一套清洗观察镜片、阀门和观察管的内表面和外表面的装置，它带适当的清洗气体或清洗用的各种配合气体，如氮气，或一小股加以冷却净化后的产品合成气体，观察镜片的双端凸缘管件、阀门、观察管和清洗装置都一个挨一个地联接起来并联到上述的容器的孔口上，联接时应保证容纳热态气体的容器的压力整体性。系统的所有的组成部件必须维持在精确的、以法兰盘环、高温计定线环与观察管中心环定位的一条光学定位线上。

除上述各元件的配合外，还提供一套控制系统，这套控制系统不仅监视清洗系统内部的流量和压力，而且提供一套装置，以动态地调节各清洗流以及响应反应室或管道内各参数变化的脉冲量。本发明的一个基本方面，就是清洗气体的流率和脉冲可被控制得不仅能保持观察通道清洁，而且如果在反应室或管道内的一些困难的运行条件下观察通道被堵塞了，还可以让它重新打开。

同时还提供一套安全系统，包括监视两块观察玻璃的完整性的装置以及在一些不期而遇的事件中，一块或两块观察玻璃故障时能 采取补救措施的装置。

本发明的前述以及其它目的和优点将在下面联系着要实现本发明的发明者们所完成的最佳模式来更充分地加以说明。联系到此模式还提供以图的形式的说明，它们是

图1为说明所包括的各元件的组合的横剖面图;和

图2为在图1上沿2-2线截取的横剖面图。

如上面所指出的，在容纳含固体的热态气体同时在其壁面上还有一层熔化了的物料的容器或管道内部的温度，可用一高温计来测量。在这种情况下，不仅高温计需要保护，而且联通到容器的观察通道也必须维持得笔直、清洁并清除所有的障碍物。因此，就要求有一个像图1所说明的各种元件组成的系统。

图1表示有耐火材料做内衬的容器或管道8的一部分。在此容器或管道内有熔化了的材料层24，它在耐火内衬的最里面的表面上形成。高温计1经系统的法兰盘孔口12和若干其它元件一起联接在容器8上，以接受由容器8的内部11通过观察孔15发射出来的辐射。该观察孔是由内部喷管12和同轴沿直线钻透耐火层9和10而得到的直线孔，穿过观察孔15，和最里层的耐火层表面25取平地插入一根观察管7，此管是用耐火金属，如具有很高重结晶温度的钼合金制成的。

观察孔7穿过容器的所有耐火衬，联接在一个观察管的中心环6上。此环同心地固定在容器的法兰盘孔口12上。观察管中心环6 做成像一个中心有孔的油炸面饼圈一样，有一个很小的油炸面饼圈式的内部通道16，它与在旁边引入的小孔17也相通，小孔17是联接清洗气体源26用的，清洗气体如氮气通过管线37与小孔17相连。内部通道16也与由观察孔15和观察管7之间形成的环形空间14通过许多小孔27相通。这些小孔沿着中心环的周界等距分布。由清洗气体26，旁侧通入孔17，内部通道16，小孔27和环形空间14所形成的空间提供一通道叫做二次清洗气流。此气流提供了一套维持或连续或断续的清洗气流来清洗观察管7的外表面的装置。此二次清洗气流也卷成一惰性气体的保护层，用以在可能暴露在氧化的大气环境的地方的情况下保护钼合金的观察管7。清洗气体26供应压力维持在比容器8的内部11的压力高出10至1000psi（磅每平方英寸），最好高出100至500psi为宜。其气流率被阀门43控制着。

联接着观察管中心环6的是阀门5。在紧急情况下此阀门十分快速地关闭。可以这样理解，阀门5是这样制作的，如果该阀在开启的位置，那么内部空间18中就没有堵塞容器11的内部与高温计1之间的光学观察通道，阀门5的启动器47的尺寸做成即使在容器的内部和外部之间存在着全压力差时也能关闭阀门。关闭阀门5可以用手动引发也可以由控制系统28引发，控制系统监督并控制着整个系统的功能。

阀门5的另一端联接到一次清洗环4上，一次清洗环本身则联接在双观察镜片的双端凸缘管件3上。双观察镜片的双端凸缘管件 具有两片高压观察镜片21和22，用以传递从容器内部11至高温计1之间的热辐射，同时又维持容器8的压力的整体性。两片察镜片21和22，双端凸缘管件3，一次清洗环4，阀门5和观察管中心环6都是既分别制造又能成为整体，以便能承受可能在容器8中产生的高压。观察镜片21和22本身可用适当的材料制造，如石英或蓝宝石，它们都在适当的光谱域具有很高的透射性，而且具有必要的机械性能参数。

与观察管中心环6相似，一次清洗环4做成有中心孔的油炸面饼圈的形状，有一个更小一点的油炸面饼圈状的内部通道20与由旁边引入的小孔19相通，以便与清洗气体如氮气源29经管线36相联接，须注意，气源29可以做成与给观察管中心环6的供气源26相同，但这并不是必须的。清洗气体供应源29要维持气压比容器8的内部11的压力高出10至1000psi（磅每平方寸），高出100至500psi是最为可取的。清洗气体的流率由阀门44来控制。

一次清洗环4的内部通道20也与沿油炸面饼圈状的清洗环4通过许多等距布置的小孔31所形成的圆筒形空间30相通着。这许多小孔围绕着清洗环沿其周界排列而与一次观察镜片21有一定的角度。

由清洗气源29、旁路引入联接孔19、油炸面饼圈状的内部通道20、沿周界排列的许多小孔31、在一次清洗环内部4和阀门5的内部空间内的圆筒形空间30、观察管中心环6和观察管7所形成的空 间，提供了清洗气体流动通道，叫做一次清洗流，此清洗流最少有两种功能，第一借助气体从小孔流出，在观察镜片21表面上的冲扫作用使一次观察镜片的内表面保持冷态和光学清洗，然后这气体再流入一次清洗环4的空间30，第二，观察管7的内部和观察管的开口13被清洗而保持开启，并因流过光学通道的气体的清洗作用而免除了堵塞物，此光学通道由一次观察镜片21的内表面开始连续经过圆筒空间30、阀门5的内部空间18、观察管中心环6的内部空间32、观察管7的内部一直到观察管的开口13。在这些空间里的清洗气流或是连续的或是间断的，后面还将作出解释。

清洗气体流出两个开口13和14进入容器内部11，而与反应气体混合。

清洗气体流出两个开口13和14进入容器内部11，而与反应气体混合。

具有双观察镜片的双端凸缘管件3、一次清洗环4、阀门5和观察管中心环6各自的端部都与联接环型法兰盘装配件密接在一起，此装配件能自动地把各元件按同心轴线排列。观察管7也做成与上述各元件同心轴线排列。高温计1安装在系统中的各元件上并以一个光学定位环2与它们保持精密的光学定位直线。光学定位环2也用一个联接环型法兰盘装配件装配，以与双观察镜片的双端凸缘管件6相接。高温计的光学定位直线，用转动光学定位环2上的调整螺旋来完成。

这样，从高温计1一直到容器8的内部11的光学观察通道就从高温计的镜头开始穿过光学定位环2、双观察镜片的双端凸缘管件3的两片同心安放的高压观察镜片21和22、一次清洗环4的内部圆筒形空间30、阀门5的内部空间18、观察管中心环6内部圆筒形空间32，观察管7的圆筒形的内腔一直到观察管的开口13。

除上述的这些元件的配套，清洗光学观察通道、观察管7的外部圆筒表面等清洗装置外，在这里的系统还提供一套在紧急清洗下，使高温计1、观察镜片21和22与容器8隔绝的安全装置。

简言之，这套安全系统包括一个监视两片观察镜片的装置以及一个在发生不希望出现的事件时即一片或两片观察镜片被破坏了的时候能采取补救措施的装置。

安全系统的基本元件是双观察镜片的双端凸缘管件3。参照图1，可见一次观察镜片21和二次2观察镜片22是以一个小的，密封的，不透气的空间33所分割。这个空间与通过管线35而联接到一个高压气源34的旁侧引入孔23相通。气源34可做成与气源29和/或26一样的，但这不是必需的。尽管一般而论从气源34出来的气体是惰性气体。气源34的压力是这样控制的，它总是容器8的内部11的压力高出10至500磅每平方寸，最好是高出100-200磅每平方寸。正常情况下，在管线35中没有气流，因为这条管线终端是在观察镜片21和22之间的密封的不透气的空间33中，但是，一旦一片或两片观察镜片发生故障时就开始漏气，流量敏感元件38就要检测 管线35中大于零的流量，压力敏感元件39就要检测低于整定压力值的压力降。在这种情况下，敏感元件38和39就要通过信号线路40和41分别地发出信号去控制系统28。一旦从40或41的任一条线路或两条同时接受到信号，控制系统28便通过线路42关闭阀门5。

如果一片观察镜片发生故障，安全系统也提供了一种功能来确定哪一片发生了故障。如一次观察镜片发生了故障，那么就会像压力敏感元件39所检测的那样，管线35中的压力降低不超过气源34与容器内部11之间的压力差。但是，如果二次观察镜片22发生故障，那么管线35中的压力将降低到容器内部11的压力水平之下。

需指出，甚至于一片或两片观察镜片发生故障，容器8内部的东西也不会从容器中损失掉。如果给出一种条件，允许（事故）坚持数秒钟，其结果是会使孔口12和容器8遭到严重损坏。如果一次观察21发生故障，那么气体就会从压力高于容器8内部压力的气源经管线35，穿过故障的一观察镜片21而进入清洗过的光学观察通道，并进入容器的内部11。这种流动情况只需很短的时间，在几分之一秒的时间里，就会使敏感元件38和39检测出故障而给出信号，控制系统28就去关闭阀门5。

另一方面，如果二次观察镜片22发生故障，气体将从气源34穿过管线35，穿过故障的二次观察镜片22，进入光学定位环2，冲出到大气中。敏感元件38和39检测出管线35中的变化启动控制系统 28迅速关闭阀门5。

本发明的最重要方面是一套装置可使各种清洗气流被控制着以便维持一个清洁的光学观察通道，该通道通向装着热的、其中带着颗粒气体的容器，该容器还有一层熔化物料从此容器的纵向墙壁上流下来流入观察管的开口中。

再参看图1，在其壁面25上有熔化物质24的容器中，其中的气体含有熔化的和固体的颗粒，而这些固体颗粒和熔化的物质总是要进入观察管的开口13而将它堵塞，从而把通向高温计1的光学观察通道遮住。一组元件包括清洗气源29、控制阀44、供气管线36、一次清洗环4和空间20、31、30、18、32和13叫做一次清洗气流。维持着从一次清洗气流的气源29来的气流为常量，则从一次观察镜片的内表面到观察管开口13的光学观察通道可以保持清洁、除掉固体和熔化的颗粒。

在容器8装着带少量熔化的颗粒的情况下，一个定量的一次清洗气流是保持观察管开口13清洁而免除遮堵的全部需要。但是在某些情况下有高浓度的熔化颗粒和有相当严重的熔化物质层24在容器8的内壁25上时，大量的物质积存在观察管开口13的顶部，因为冷的清洗气体在壁面25上造成冷点使其温度低于熔化物质的熔点温度区域。在开始的时候，这种积存的增长还不至于严重遮盖观察管的开口13，因而并不明显地影响由高温计1上获得的温度读数，但是，当在某些情况下，这种积存物增长到某一点，它开始由于自身重 量而弯曲并开始下落到观察管开口上，形成严重遮盖，从而戏剧性地影响着温度读数。

由这套元件组成的系统所提供的装置来弥补上面描述的问题，包括两个方面：第一，所积聚的物质可以再加热使它再熔化;第二，这些积聚物可以强制地或吹掉，用沿着光学观察通道以及穿过环形空间14，导向到积聚物上的高压清洗气体的大量冲击波使它离开其位置，而进入容器内部11。

清除堵塞物的详细过程如下：当由于聚积物增长而发生堵塞时，此堵塞情况可根据高温计读数的稳定下降来检测。当这种情况出现时，控制系统28分别通过管线42和45去关闭阀门5和43。这个动作同时阻止一次清洗气流，即光学观察通道的气流和二次清洗气流，即环形空间14的气流。它同时也瞬间地中断了温度读数。但是如果在同一容器上采用两套相同的系统时，那么就可使一套系统一直在测量着温度，而另一系统执行此冲击工序。还需注意，阀门5是关闭着的，而阀门44则是开着的，以便保护一次观察镜片21，这时一次清洗气流是停止了的。

随着阀门5和43都关闭，两股清洗气流都停止，壁面25上的冷点消失了，积聚物质又开始熔化。与此同时，清洗气源26和29的压力上升以便用大量的清洗气体来填充供气管线36和37准备下一步使用。

过适当时间之后，正常情况下1至60分钟，最好是1至15分钟，控制系统28通过管线42、45和46迅速地启开阀门5、43和44，使这些阀门大开。这样大量的气流，正常情况下可维持1至60秒钟，但最好能维持5至15秒。在此期间高温计读数因阻塞消除而恢复到原来的数值。紧接着这段时间之后，控制系统28把阀门43和44调整到它们原来的开度、把气源26和29的压力降低到它们的正常水平。

可以理解，本发明虽然可以不脱离其精神和范围而做出许多变型和改动，但在所附的权利要求中所指出的那些限制应该确立。

Claims (10)

1、一种测量反应器内部温度的仪器，该反应器用于使烃基混合物在反应器的反应室中进行反应，以产生合成气体和特种物质，上述反应器具有内部壁面(8)、围绕着反应室和一个膛孔(15)的耐火衬(9、10)，该膛孔(15)穿过上述衬并开口进入反应室，其特征为：

一个可移动的观察管组装在上述膛孔(15)里，以承担通往反应室的观察通路，来引导从那里出来的辐射线，并包括：

一个用来确定其内部圆筒形观察通路的，伸长了的管件(7)，具有一个平面和内部开口端和一个外部开口端，被安放在上述膛孔(15)中，来确定第二个在上述管件(7)与上述膛孔(15)之间的环状清洗气体通路(14)；

上述伸长的管件(7)纵向地定位在上述膛孔(15)里，在这里其内部开口端的平面放在与反应室壁面(25)共同的平面上；

一个环状的配气管(6)接在上述伸长管件的上述外开口端，且具有一入口(17)与具有压力的清洗气源(26)相通，最少有一个放气口(27)与上述环形清洗气体通路(14)相通；

一个切断阀(5)具有与上述配气管(6)相接的接入口，当阀门开启时，形成一条直线观察线的观察通道，穿过该阀门和伸长的管件，而且有一个外部端头；

一个第二环形配气管(4)接在上述阀门(5)的上述外部端头上，具有一个与有压力的清洗源相通的入口，和最少有一个放气口(31)与由第二环形配气管所围成的轴向空间(30)相通，上述空间(30)与切断阀(5)的内空间直接相接，切断阀本身又与被管件(7)所确定的圆筒形气体通道相联接；

一个双端凸缘管件(3)装着两片同轴安装的观察镜片(21、22)，其接在第二环形配气管(4)上，而且与第二环形配气管(4)，切断阀(5)、第一环形配气管(6)、管件(7)、各个气源(26、29)、供气管线以及反应器相配合形成一气密的封闭体；

上述双端凸缘管件(3)含有一个小的、密封的气密的封闭体(33)在上述的两个同轴排列的观察镜片(21、22)之间，在此上述封闭体有一入口(23)可与压力气源(34)相通；

并有一个光学定位元件(2)联接在上述双端凸缘管件(3)的活动端，提供一个衔接高温计并为它或任何其它的此类接受辐射的设备做光学定位的装置，目的是测定由反应器中的气体和颗粒物质发射出的热辐射。

2、如权利要求1所定义的仪器，其中，上述的管件（7）、上述的内部圆筒状的清洗气体通路和上述的环形清洗气体通路（14）在一个垂直于上述管件的纵轴的平面上，实质上具有相同的断面面积。

3、如权利要求1所定义的仪器，其中，当上述切断阀（5）在其正常开启的位置时，可移动的观察管组装限定笔直而不被堵塞的、从上述反应室的内表面（25）到装设的辐射的接受设备（1）的光学观察路径。

4、如权利要求1所定义的仪器，其中第一环形配气管（6）、第二环形配气管（4）和双观察镜片的双端凸缘管件（3）全都在压力高于反应室中压力下连到气源（26、29、34）。

5、由权利要求4定的仪器，其中提供可以独立控制相应的清洗气流进入第一和第二环形配气管（4、6）内部通路的压力和流率的装置（28、43-46）。

6、权利要求5定义的仪器，其中清洗气体是一种惰性气体。

7、权利要求5所定义的仪器，其中清洗气体是处理气体，如从反应器中引出的再循环气。

8、由要求权利要求4-7中任一项所定义的仪器，还包括敏感元件，其设置是为了检测在小的、封闭的、气密的封闭体（33）中的压力升高/或有气流，此小封闭体（33）是在双端凸缘管件（13）中的两片观察镜片（21、22）之间的，而且这两个敏感元件会使切断阀门自动关闭。

9、由权利要求4-7中任一项所定义的仪器，其中控制装置（28）控制至第一和第二环形配气管（6，4）的气源（26，29），以在正常操作期间提供至上述管件（7）内圆筒形观察通路和该管件外部的环形空间（14）二者的同时且连续的清洗气流。

10、由权利要求1-7中任一项所定义的仪器，其中，上述管件（7）是用钼合金做的。

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