KR100776914B1 - 온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보호관(Thermo-Well) 및 상기 보호관 내 설치되는 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단을 구비하는 온도 측정 장치로서, 상기 온도 측정 수단은 케이블 또는 와이어 선상에 온도 감지 센서부가 존재하고, 상기 온도 측정 수단의 양 단에 장력을 인가함으로써 보호관 내부에서 상기 장력에 의해 온도 감지 센서부를 보호관의 축방향으로 이동시킬 수 있는 것이 특징인 온도 측정 장치; 상기 온도 측정 장치가 반응관 내에 축방향으로 나란히 배치된 반응관; 및 상기 온도 측정 장치 또는 상기 반응관을 하나 이상 구비한 반응기를 제공한다.

쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기, 온도 측정

Description

온도 측정 장치{TEMPERATURE MEASURING DEVICE}

도 1은 본 발명의 온도 측정 장치를 설치한 쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기의 개략도이다.

도 2는 열전대 및 보호관을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 온도 측정 장치 중 온도 감지 센서부의 일구체예를 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 온도 측정 장치 중 온도 감지 센서부의 또다른 구체예를 나타낸 개략도이다.

본 발명은 온도 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 온도 측정 장치는 관형 반응기에서 온도를 측정하는데 사용할 수 있으며, 관형 반응기의 비제한적인 예로 고정층 촉매를 충전한 반응관이 하나 이상 구비된 쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기가 있다. 따라서, 본 발명은, 예컨대, 고정층 쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기에서 반응관에 충전한 촉매층의 온도를 용이하게 측정하도록 고안된 온도 측정 장치에 관한 것이다.

상기 쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기는 접촉기상 산화반응 예컨대, 증기 상에서 촉매에 의해 올레핀으로부터 불포화산을 제조하는 공정에 사용될 수 있다.

일반적으로, 쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기는, 1종 이상의 촉매가 과립의 형태로 반응관(접촉관)에 충전되고, 반응가스가 관을 통해 반응기에 공급되고, 반응가스가 반응관에서 촉매와 접촉하여 원하는 생성물을 얻기 위한 화학 반응을 일으킨다. 반응 도중 발생하는 반응열은 반응관 외부면에 제공되는 쉘에 순환되는 열전달 매체와 열전달되어 제거되며, 열전달 매체의 온도는 예정된 온도로 유지된다. 원하는 생성물을 함유하는 반응 혼합물은 관을 통해 수집 회수 및 정제 단계로 보내진다.

접촉기상 산화반응은 통상 높은 발열 반응이므로 특정 범위 내에서 반응 온도를 조절하고 반응 영역 내 열점의 크기를 줄이는 것이 매우 중요하다. 따라서, 공정 조건, 공급물의 조성, 촉매층의 구성 등에 따라, 촉매층의 열점의 위치를 빠르게 파악하고 그 크기를 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다.

이를 위해, 종래에는 하나의 쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기의 반응관 내에 다수의 보호관(thermowell)을 설치하고, 일부는 위치가 고정되어 있는 고정형으로, 일부는 보호관 내에 집어넣고 뺄 수 있는 이동형으로 열전대(thermocouple)를 구성하여 온도를 측정한다.

이러한 온도 측정 장치에서 이동형 열전대의 역할은 상당히 중요하다. 상기 언급한 바와 같이, 공정조건, 공급물의 조성, 촉매층의 구성에 따라 열점의 위치가 정해지며, 그 크기 또한 열전달 매체의 열전달 능력과 발열의 정도에 따라 정해지 므로, 이동형 열전대를 집어 넣거나 뽑아 내어 열점의 정확한 위치와 크기를 모니터링하여야 한다.

또한, 이동형 열전대는 반응관 내 길이 전체 촉매층의 온도 프로파일을 얻을 수 있게 해준다. 촉매층의 온도 프로파일로 얻는 정보량은 상당한데, 열점 뿐만 아니라, 촉매층의 충전이 고른지, 반응온도를 조절할 필요가 있는지, 반응기가 비정상적으로 움직이고 있는지 등을 시각적으로 쉽게 분석할 수 있게 해준다.

하지만, 대개의 고정층 반응기 내의 촉매층의 온도는 높은 발열 반응으로 인하여 200 ~ 500 ℃ 정도까지 상승하므로 열전대를 보호하는 보호관이 열적으로 팽창하면서 휘어지거나 구부러지는 등 심하게 변형되어 열전대를 이동하기가 어려워진다.

촉매층의 온도 프로파일을 얻기 위해서는 기계적 강도가 약한 열전대를 반응관 길이 전체에 삽입하여야 하는데, 즉 수 미터에서 십 수 미터까지 보호관 내로 밀어 넣어야 하는데, 이때 열적 영향으로 변형된 보호관을 통과할 때 열전대는 대단한 마찰저항을 받게 되어 이동이 힘들어 원하는 지점까지 센서부가 도달하지 못할 수도 있으며, 심지어 열전대를 무리하게 다루다가 부러지는 사태도 빈번히 발생한다. 열전대가 보호관 내부에 삽입된 채로 부러지게 되면, 부러진 채로 보호관에 삽입된 부분을 회수할 방법이 없으므로 온도 모니터링은 심각한 영향을 받게 된다.

본 발명은 열전대와 같은 온도 측정 수단을 변형된 보호관 내에서도 용이하게 이동시킬 수 있도록 고안된 온도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 보호관(Thermo-Well) 및 상기 보호관 내 설치되는 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단을 구비하는 온도 측정 장치로서, 상기 온도 측정 수단은 케이블 또는 와이어 선상에 온도 감지 센서부가 존재하고, 상기 온도 측정 수단의 양 단에 장력을 인가함으로써 보호관 내부에서 상기 장력에 의해 온도 감지 센서부를 보호관의 축방향으로 이동시킬 수 있는 것이 특징인 온도 측정 장치; 상기 온도 측정 장치가 반응관 내에 축방향으로 나란히 배치된 반응관; 및 상기 온도 측정 장치 또는 상기 반응관을 하나 이상 구비한 반응기를 제공한다.

본 발명의 온도 측정 장치는 반응관 내에 설치하거나 반응기의 쉘 공간내에 설치할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 특징은 보호관 내 설치되는 온도 측정 수단을 케이블 또는 와이어 형태로 제작하고 상기 온도 측정 수단의 케이블 또는 와이어 선상 중간 부위에 온도 감지 센서부를 배치함으로써, 온도 측정 수단의 양 단부에 장력을 인가하여 온도 감지 센서부를 보호관의 축방향으로 이동시키는 것이다.

이때, 보호관의 양단 개구부 바깥쪽에 도르래를 설치하고 상기 도르래에 상기 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단을 걸어 사용하는 것이 바람직하다. 상기 도르래에 의해 장력 인가시 장력의 방향을 변화시키거나 작은 힘으로도 온도 감지 센서부를 용이하게 이동시킬 수 있다. 따라서, 장력을 이용하여 당기기만 함으 로서 관형 반응기 내부의 전영역의 온도를 용이하게 측정할 수 있고, 반응관 내 전체 촉매층의 열안정성을 쉽게 파악할 수 있다.

또한, 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단은 유연성(flexibility)이 있는 것이 바람직하다. 온도 측정 수단이 철사와 같이 flexible한 재료들로 제작되면, 보호관이 변형되더라도 온도 측정 수단의 이동성이 취약해지는 단점을 보완할 수 있다. 즉, 온도 측정 수단을 보호관으로 밀어 넣을 때 발생하는 기계적 마찰과 이로 인해 발생하는 파손 등의 문제를 해결할 수 있다.

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본 발명에 따른 온도 측정 수단 중 온도 감지 센서부는 튜브형태의 접합부 내에 내장되고 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단이 접합부와 물리적으로 연결된 것이 바람직하다.

케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단은 2개의 온도 측정 수단이 일직선상에 연결된 형태로도 사용할 수 있다. 2개의 온도 측정 수단을 사용하는 경우 온도 감지 센서의 노후화 혹은 이동시 기계적인 마찰로 하나의 센서가 고장나면 나머지 하나를 이용하여 계속 측정이 가능하다는 장점이 있다.

본 발명에 사용가능한 보호관 재질의 비제한적인 예로는 스테인레스 강(stainless steel, SUS: JIS에서 규정)이 있다. 경도가 더 필요하면 탄소, 고온 경 도 및 내식성을 높이려면 크롬, 질긴 성질과 내식성을 높이려면 니켈 등의 원소 함량이 상대적으로 높은 것을 사용할 수 있다. 강한 산성 물질 때문에 내산성이 필요한 곳에는 하스텔로이(Hastelloy) 등의 몰리브덴이 첨가된 합금을 사용할 수도 있다.

한편, 열전달에 문제가 있는 경우, 보호관에 고온에서 사용가능한 오일 등을 채움으로써 열전달 저항을 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단의 비제한적인 예로 열전대(Thermocouple) 또는 측온저항체(resistance temperature detector, RTD)가 있다. 측정하는 온도 범위와 요구되는 반응시간 조건을 검토하여 대상계에 적합한 열전대나 측온저항체를 선택할 수 있다.

하기에서는 열전대를 기준으로 하여 본 발명을 자세히 설명하고자 한다.

열전대는 서로 다른 두 종류의 금속 도체가 접합되어 폐회로를 구성한 상태에서 양 접점이 온도가 서로 다르면 회로상에 전류가 흐르게 되고 이 전류를 확인함으로써 두 접점간의 온도차를 알 수 있게 하는 원리를 이용하는 것이다. 따라서, 열전대의 접점(이하, 열전대 센서부로 지칭함)을 적정 위치에 배치시키면 정확히 온도를 감지할 수 있게 되고, 열전대의 센서부가 정확한 위치 및 환경에 놓일 수 있도록 보호하는 열전대 보호관이 필요하다.

도 2는 열전대 및 보호관을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 서로 다른 재질로 제조된 두 가닥의 소선(210a, 210b)이 있고, 이 소선(210a, 210b)의 일단부가 서로 접합되어 열전대 센서부(212)를 형성하 고 있다.

이러한 열전대 센서부(212)는 소정 위치의 온도를 감지하여 이를 전기적 신호로 변환시킨다. 한편, 상기 소선(210a, 210b)은 열전대 센서부(212)를 제외한 나머지 부위가 접촉되지 않도록 인슐레이터(insulator)(214)에 의해 절연되며, 또한 소선(210a, 210b)의 접점(212)은 인슐레이터(214)로부터 플랫존 부위에 위치되도록 지탱하는 힘을 제공받을 수 있다.

한편, 열전대 보호관(218)은 고온, 산, 염기, 또는 기계적 마찰 등으로부터 열전대를 보호하기 위해 사용된다. 소선(210a, 210b)과 인슐레이터(214)로 구성된 열전대(216)는 소정 길이를 갖는 1자 형상의 열전대 보호관(218)에 삽입되어 사용될 수 있다.

열전대 보호관은 온도를 측정하고자 하는 반응관의 관 축방향에 수직인 단면의 중심에 설치하는 것이 바람직하다.

보호관 내는 반응계와 격리되어 있고, 온도를 측정하는 위치, 즉 열전대 센서부의 위치는 열전대 양단에 걸리는 장력을 조절하여 변경할 수 있다.

도 1에는 본 발명의 온도 측정 장치를 설치한 쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기(20)의 개략도가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단은 일직선상에 연결된 한 쌍의 열전대를 사용하는 것이 바람직하므로, 이를 기준으로 본 발명을 설명하고자 한다.

쉘-앤드-튜브 열교환식 반응기에는 대개 수천에서 수만 개의 반응관이 설치되나, 도 1에는 본 발명의 설명을 위하여 대표적인 하나의 반응관(10)만이 표시되어 있다. 1은 하나의 열전대이며, 2는 열전대 중 온도를 감지하는 센서부이다. 3은 또 다른 열전대이며, 4는 3의 센서부이다. 5는 보호관이다. 6은 열전대 1을 지지하는 도르래이고, 7은 열전대 1을 감아서 뽑아내는 작동기로서 수동이거나 자동으로 작동한다. 8은 열전대 3을 지지하는 도르래이고, 9는 열전대 3을 감아서 뽑아내는 작동기이다. 도 1의 30은 열전대 1을 뽑아내는 방향이고 도 1의 40은 열전대 3을 뽑아내는 방향이다. 11은 센서부에서 측정한 온도값을 판독하는 장치로서 전기적인 신호를 온도로 나타내준다.

상기 열전대 1과 3은 유연성이 충분하여 철사처럼 감아서 사용할 수 있는 한, 재질에 제한받지 않는다. 열전대는 장력을 이용하여 뽑아 쓰는 경우 연성과 전성 재질에 의하여 오히려 매끈하게 펴지게 되므로 변형된 보호관을 통과할 때에 더욱 유리하다.

한편, 한 쌍의 열전대를 연결하는 방법은 도 3과 도 4에 상세히 나타나 있다.

한 쌍의 열전대 센서부는 하나의 접합부에 내장되어 연결되거나(도 3 참조) 열전대 센서부 각각이 하나의 접합부에 내장되고 접합부가 연결부에 의해 연결되는 것(도 4 참조)이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 열전대는 접합부 50 을 통해 연결되어 있다. 이때, 튜브 형태의 접합부 50에 열전대 1과 3을 일부 집어 넣은 후 접합부 50이 센서부 이외의 열전대와 겹치는 부분에 압력을 가해 열전대와 접합부가 결합되도록 할 수 있다. 와이어 형태의 온도 측정 장치에서 독립된 두 개의 온도 측정 수단(예, 열전대)을 연결하기 위해서는 상기 접합부가 필요하다.

접합부의 재질은 전술한 보호관의 재질과 비슷한 재질을 사용할 수 있다. 단, 보호관과 달리 반응물과 직접 접촉하지 않으므로 내산성, 내식성 등의 성질은 크게 요구되지 않는다. 내열, 내한 등 온도에 따른 성질이 중요하고, 열전도도가 높아서 온도 측정이 정밀한 것이 좋다.

열전도성을 높이기 위해 접합부 내에 오일 등을 사용할 수 있다. 또한, 보호관 내에도 오일을 주입하여 전체적으로 센서부와 반응하는 촉매층의 열전달을 용이하게 하는 방법도 병용할 수 있다.

바람직하게는 접합부는 튜브 형태인 것이 바람직하다. 이때, 접합부의 내경은 충분히 작아 열전달에 영향을 되도록 덜 받도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 접합부의 외경은 보호관 내경의 90%이하인 것이 바람직하다. 90% 초과인 경우 열적 변형된 보호관 내에서의 이동성이 아주 나쁘다.

도 3의 51은 두 열전대 센서부의 간격으로, 이 간격을 적당히 조절하면 하나의 열전대가 손상되었을 때, 커터로 잘라내고 여분의 공간에 새로운 열전대를 삽입하여 결합하는 방식으로 교체를 할 수 있다.

예컨대, 문제가 생긴 열전대는 일부의 접합부와 함께 잘라 버리고 사용가능한 열전대와 접합부의 일부 - 실제로 접합부는 열전대와 결착되어 있는 상태임- 를 접촉관 밖으로 뽑아 내고 새로운 열전대를 잘린 접합부 쪽으로 집어 넣고 센서부가 겹치지 않는 부위의 접합부를 압력을 가해 눌러서 결착시킬 수 있다. 가령 도 3의 열전대 1의 센서부가 문제가 있다면 간격 51 중 열전대 1에 가까운 곳을 커터 등으로 절단하고, 여유가 있는 간격 51의 윗부분에 새로운 열전대를 삽입하여 결착한 다.

도 4은 도 3의 다른 형태로서, 탄성과 연성이 좋은 연결부 61, 예컨대 철사 연결부를 사용하여, 두 개의 접합부 62와 63을 연결한다.

도 4에서 64는 열전대 센서부가 각각 내장된 두 접합부의 간격으로 이 간격을 적당히 조절하면 교체시 연결부 61의 적당한 위치를 절단한 후, 새로운 접합부에 연결부 61를 연결할 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 온도 측정 장치는 기존 장치보다 용이하게 장력을 통해 온도측정을 할 수 있고, 파손 등으로 온도 모니터링 시스템에 심각한 영향을 주는 사태를 피할 수 있으며, 손상된 측정장치를 손쉽게 교체할 수 있다.

더불어, 본 발명에서 따라 제공되는 온도 측정 장치는 온도 측정 수단이 두 개 이상의 온도 감지 센서부 또는 2개 이상의 온도 측정 수단을 구비하여 하나의 온도 감지 센서부 또는 온도 측정 수단이 손상을 입어도 별도의 교체 없이 계속 온도 측정이 가능하고, 향후에 파손된 온도 감지 센서부 또는 온도 측정 수단의 교체가 비교적 용이하므로 유지 보수에도 많은 이점이 있다.

이상으로, 본 발명을 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으나, 이 분야의 당업자라면 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도에서 변경될 수 있음을 이해할 것이다. 즉, 본 발명은 첨부된 청구 범위 내에서 변경 가능하므로, 전술한 예시적인 실시예로 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.

Claims (13)

1. 보호관(Thermo-Well) 및 상기 보호관 내 설치되는 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단을 구비하는 온도 측정 장치로서, 상기 온도 측정 수단은 케이블 또는 와이어 선상에 온도 감지 센서부가 존재하고, 상기 온도 측정 수단의 양 단에 장력을 인가함으로써 보호관 내부에서 상기 장력에 의해 온도 감지 센서부를 보호관의 축방향으로 이동시킬 수 있으며,

   상기 온도 감지 센서부는 하나의 접합부에 내장되어 연결된 한 쌍의 온도 감지 센서부이거나 또는 각각 하나의 접합부에 내장되어 연결부에 의해 연결된 한 쌍의 온도 감지 센서부인 것이 특징인 온도 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단에 장력 인가시 보호관의 양단 개구부 바깥쪽에 각각 설치된 도르래를 사용하는 것이 특징인 온도 측정 장치.
3. 제1항에 있어서, 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단은 유연성(flexibility)이 있는 것이 특징인 온도 측정 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 케이블 또는 와이어 형태의 온도 측정 수단은 열전대 (thermocouple) 혹은 측온저항체(resistance temperature detector, RTD)인 것이 특징인 온도 측정 장치.
6. 제1항에 있어서, 보호관에 오일을 채운 것이 특징인 온도 측정 장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 접합부는 튜브 형태인 것이 특징인 온도 측정 장치.
9. 제1항에 있어서, 접합부 내에 오일 채운 것이 특징인 온도 측정 장치.
10. 제1항에 있어서, 접합부의 외경은 보호관 내경의 90%이하인 것이 특징인 온도 측정 장치.
11. 제1항 내지 제3항, 제5항, 제6항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 온도 측정 장치가 반응관 내에 축방향으로 나란히 배치된 반응관.
12. 제1항 내지 제3항, 제5항, 제6항 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 온도 측정 장치를 하나 이상 구비한 반응기.
13. 제11항의 반응관을 하나 이상 구비한 반응기.

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