Refinery environments often present

daunting challenges for the measuring

equipment. Not only the harsh conditions in

which the equipment is used are frequently

problematic; expectations regarding safety,

cost effectiveness and product quality

are also steadily increasing. The flexible

multipoint thermocouple reflects this trend

and is meanwhile established as the standard

for a variety of temperature measurement

applications in refineries.

Let’s take a brief look back to the mid-eighties:

nearly a decade after the oil crisis, the

petrochemical industry is under considerable

economic pressure. Refiners are struggling

to get the optimum performance out of their

plants. The decision by a growing number to

upgrade their reactors with a new generation of

highly active catalysts appears only logical.

After all, these catalysts offer better selectivity

and conversion rates and hence raise

productivity and profitability levels.

At the same time, however, they prompt new

concerns among refiners: in hydrocracking

plants, higher-activity catalysts can result

in a quicker reaction. One consequence of

these exothermic processes is the situation

commonly referred to as a thermal excursion

or runaway. Runaway can be dangerous if

detected too late, as sudden temperature rises

may exceed the metallurgical limits of the

vessel wall, resulting in a catastrophic failure

and loss of containment.

Adaptation to the requirements of the petrochemical industryThis was the measurement challenge

confronting the straight multipoint

thermometers with pipewell prevalent in

industrial applications thirty years ago.

Unfortunately, though, their conventional type

of construction was only of limited suitability

for monitoring the temperature in reactors

equipped with the new catalyst generation.

There were three main reasons for this

shortcoming, starting from the response

time: the pipewell was specified for the high

pressure environment in hydrocrackers and

hydrotreaters. On the other hand, the thick

metal wall of the tube slowed down the

thermometer’s response time, meaning it would

react too late to a runaway situation in the

vessel.

Channelling is a negative effect which was

observed along the pipewell, which was usually

installed vertically. The process medium flowed

through the reactor faster, like in a channel,

and the catalyst no longer had sufficient time

to convert the product.

Moreover, another reason is the limited point

location: the sensing points were inadequately

distributed. They were restricted to the linear

geometry of the pipewell, leaving a significant

part of the reactor without thermometry. There

was a risk that missing hotspots would lead

to reduced catalyst life and/or a temperature

excursion.

Responding to these complex requirements,

Gayesco (today a company of the WIKA

Group) set out to design flexible thermocouple

systems. These have been regularly adapted

to the changing requirements of the

petrochemical industry ever since and are used

Per la strumentazione di misura, gli ambienti delle raffinerie presentano spesso sfide molto comples-se, sia per le severe condizioni in cui la strumenta-

zione si trova a operare, che per le aspettative legate alla sicurezza, all’ottimizzazione dei costi alla qualità dei pro-dotti. Le termocoppie flessibili multipoint riflettono questa tendenza, e rappresentano la soluzione ideale per una va-sta gamma di applicazioni di misura della temperatura nel-le raffinerie.Tornando indietro a metà degli anni ottanta, quasi dieci an-ni dopo la crisi petrolifera, l’industria petrolchimica era sot-toposta a una notevole pressione economica. Le raffinerie tentavano di ottenere le migliori prestazioni possibili dai loro impianti. La decisione logica fu quella di riprogettare i reattori utilizzando una nuova generazione di cataliz-zatori attivi.Dopotutto, questi catalizzatori offrivano una miglio-re selettività e un migliore tasso di conversione, migliorando così la produttività e il livello dei pro-di Massimo Brozan

Le sonde flessibili multipoint si sono

affermate come soluzione ideale per la

misura dei profili di temperatura nell’industria

petrolchimica. Le ragioni stanno nella

vasta gamma di applicazioni, nell’estrema

versatilità e adattabilità alle continue

evoluzioni dei requisiti delle raffinerie.

Vediamo i vantaggi offerti dai sistemi

di misura Gayesco, azienda del gruppo

WIKA, in questo settore.

Misura delle temperature

Focus on - instrumentation

S oluzionistrumentazione

flessibile nelle raffinerie

december 2014 l 75InMotionPubliTec 74 l dicembre 2014

Flexible Temperature Measurementwithin the Refinery

by Massimo Brozan

Flexible multipoint thermometers have become established as the undisputed standard for this kind of measuring task in the petrochemical industry. Their wide range of applications and the fact that the multipoint system is extremely agile and adaptable in the face of changing requirements in the refinery are key reasons. Let’s look at the benefits offered by the measuring systems by Gayesco, a company of the WIKA Group, in this sector.

l Hotspot o

punto caldo

all'interno

del reattore.

l Hotspot

inside the

reactor.

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S oluzionistrumentazione

Gayesco developed special low-profile supports

for the multipoint thermometers concerned.

These are combined with the company’s own

know-how regarding the optimal routing of the

thermocouples in the reactor.

The efforts by R&D engineers to improve

multipoint thermometers for radial temperature

measurement are still continuing. State-of-the-

art multipoint thermometers use primary and

secondary safety systems on the thermocouple.

They also include a safety seal chamber that

can optionally be monitored – in case one of

the above systems happens to break.

Additional sealing devices for thermocouple

transitions are standard at Gayesco. Since

the thermocouple size can vary with the

application, durability continues to be an

important concern. Specially engineered MI

thermocouple cables are therefore preferred to

off-the-shelf (standard) alternatives. l

temperature in diplegs and cyclones during

fluid catalytic cracking (FCC).

Special low-profile supports for the multipoint thermometersFor several years now, increased regulatory

requirements for emissions have been

implemented worldwide with corresponding

impacts on fuel quality and cleanliness –

particularly the sulphur content. In response

to these industry needs there has been

a dramatic rise in the number of flexible

multipoint thermometers in hydrocrackers and

hydrotreaters. Unfortunately, the high density

of measuring equipment in the reactor has

tended to be detrimental to the flow rate and

distribution of the process medium and hence

also to the quality of the fuel – the end product.

In order to reduce the negative repercussions

for the reaction processes to a minimum,

a single failure, even though the catalyst has

been dumped on a number of occasions.

The benefits of radial temperature

measurement in a reactor extend far beyond

the ability to detect hotspots – originally the

main objective of the new measuring system.

These same instruments simultaneously

provide information on catalyst maldistribution

inside the vessel and support remaining life

predictions. Flexible multipoint thermometers

can additionally be used for top-of-bed

performance evaluations.

It soon became evident that the multipoint

solution developed by Gayesco had a

great potential range of applications within

the refinery; amongst other things, it can

be employed to monitor the catalyst in

phenylethylene processes and distillation

columns, control catalyst regeneration

in reforming units (FCR) or measure the

several sensing points in a single sheath.

They were suited as affordable solutions for

recording linear temperature gradients. Owing

to their complex internal structure with multiple

sensing points in one sheath, however, there

were no safety functions and on-site repairs

proved to be impossible. If ever the outer

sheath was damaged, the operator was robbed

of all sensing points at once.

A great potential range of applications within the refineryJust how stably the Flex-R® system works

was demonstrated by the first multipoint

thermometer in this series, which was installed

by Gayesco in the reactor of the Shell refinery

in Woodriver, Illinois, in 1988. All 260 sensing

points, located on several different levels of the

catalyst beds, have been functioning for the

past twenty-six years without a hitch and not

sensitive thermocouples are installed in the

reactor using special fixation systems, so that

only a tiny footprint remains in the process flow.

Flex-R® thermometers are either flanged to the

reactor or secured to it with a high pressure

screw connection (Radial TapTM) if space is

an issue. Once installed, they can be handled

without any major problems for the process,

further aiding refiners’ efforts to cut costs. The

measuring system remains inside the vessel

if the catalyst is dumped during turnaround,

for instance. Service technicians can calibrate

the thermocouple on site or repair the MI

cable if the sheath is damaged when the

catalyst is emptied. In the years that followed,

more flexible multipoint thermometers were

developed alongside the Flex-R®. The majority

of these models, where other manufacturers

attempted to emulate the functionality of the

Gayesco system, had a linear geometry with

in a variety of applications in single-bed and

multibed reactors under the Flex-R® label.

Radial system for measuring with a very short response timeThe operating principle was the outcome of

close cooperation with process engineers, users

and licensors: a specially designed, mineral

insulated and hence durable sheathed cable

not only replaced the pipewell but also allowed

the sensing points to be freely configured.

The result was a radial system for measuring

temperature profiles with a very short response

time of about 4 to 8 seconds (rather than 3

minutes, as was the case with conventional

pipewells). The operator consequently had

plenty of time to react to potential runaway

conditions and take appropriate counteraction.

The system provided the higher point density

that had previously been lacking. These tip-

zione, l’operatore avrebbe avuto il tempo necessario per reagire, e per prendere le opportune contromisure nel ca-so in cui le condizioni di processo fossero andate fuori controllo. Inoltre, il sistema offriva un monitoraggio com-pleto delle aree critiche con una maggiore densità dei pun-ti di misura. Questa tipologia di termocoppie, la cui parte sensibile è posta sulla punta, è installata nel reattore tra-mite speciali sistemi di fissaggio, in modo che il flusso del processo non venga influenzato. Le sonde di temperatura Flex-R® possono avere una con-nessione al reattore flangiata oppure, nel caso in cui ci si-ano problemi d’ingombro, un attacco filettato ad alta pres-sione (Radial Tap™). Una volta installate, le sonde possono restare a contatto diretto con il processo senza grossi problemi, permetten-do inoltre una riduzione dei costi. Le sonde rimangono all’interno del serbatoio e se, ad esempio, durante il ciclo di manutenzione il catalizzatore è svuotato, i tecnici posso-no tarare le termocoppie o riparare il cavo in MGO se la guaina è danneggiata.Negli anni seguenti, sono state sviluppate diverse tipolo-gie di sonde di temperature flessibili multipoint simili alle Flex-R®. La maggior parte di questi modelli, che cercavano di emulare la funzionalità del sistema Gayesco, aveva una geometria lineare con diversi punti sensibili in un’unica guaina. Questa soluzione tecnica aveva un vantaggio eco-nomico, ma si limitava al monitoraggio dei soli gradienti li-neari di temperatura e comportava importanti svantaggi.

Sistema di misura radiale con untempo di risposta molto breveIl principio di funzionamento sul quale si è basata la co-struzione delle nuove sonde multipoint è stato il risultato di una stretta collaborazione tra in-gegneri, utilizzatori e licenziatari dei processi: un cavo in ossido minerale appositamente pro-gettato, durevole, che per-mette di andare direttamen-te a contatto con il proces-so, lasciando libertà di scel-ta per il numero di punti da monitorare. Il risultato è sta-to un sistema di misura ra-diale del profilo di tempera-tura con un tempo di rispo-sta molto breve di circa 4/8 s (invece di 3 min, come nel caso della vecchia costruzio-ne). In questa nuova situa-

Infine, un altro motivo era legato ai limitati punti di mi-sura: i punti sensibili erano distribuiti in modo inadegua-to. Erano infatti posizionati solo longitudinalmente nelle tubazioni, lasciando una parte considerevole del reat-tore senza misure di tempe-ratura. Alcune aree importanti del reattore non erano quindi monitorate in modo adeguato, cau-sando una minor durata del catalizzatore e/o un’escursio-ne della temperatura.Per far fronte a questi requisiti, Gayesco, azienda che oggi fa parte del gruppo WIKA, ha cominciato a progettare ter-mocoppie flessibili. Nel corso degli anni queste sonde so-no state costantemente adattate alle esigenze dell’indu-stria petrolchimica, e da allora sono utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni nei reattori single-bed e multi-bed con il marchio Flex-R®.

fitti. Allo stesso tempo portavano nuove problematiche: negli impianti di hydrocracking, i catalizzatori con attività più elevata possono portare a reazioni più veloci. Una con-seguenza di questi processi esotermici è definita come escursione termica o fuga fuori controllo. La fuga può es-sere pericolosa se scoperta troppo tardi, perché l’improv-viso aumento della temperatura può superare i limiti me-tallurgici della parete del reattore, provocando un danno catastrofico e la fuoriuscita del prodotto.

Adattamento costante alle esigenzedell’industria petrolchimicaQuesta nuova situazione ha evidenziato che le sonde mul-tipoint diritte inserite nelle tubazioni, comuni in queste ap-plicazioni da oltre trent’anni, non erano più adatte perché consentivano un limitato monitoraggio della temperatura nei reattori. I motivi principali erano diversi, a partire dal tempo di ri-sposta: le tubazioni utilizzate negli impianti di hydro-cracking e hydrotreatment erano progettate per le alte pressioni, ma il loro spessore allungava il tempo di rispo-sta delle sonde di temperatura, causando quindi una rea-zione troppo lenta nelle situazioni di runaway.La canalizzazione invece è un effetto negativo rilevato lun-go le tubazioni normalmente verticali. Il fluido di processo scorreva più rapidamente nel reattore, come in un canale, e il catalizzatore non aveva il tempo sufficiente per conver-tire il prodotto.

december 2014 l 77InMotionPubliTec 76 l dicembre 2014

l Distribuzione lineare dei punti

di misura in verticale all’interno

di un reattore.

l Linear distribution of sensing

points along the pipewell.

l Distribuzione radiale dei punti

di misura in verticale all’interno

di un reattore.

l Radial distribution of sensing

points inside the reactor.

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78 l dicembre 2014 PubliTec

S oluzionistrumentazione

Divenne subito evidente che la soluzione multipoint svilup-pata da Gayesco aveva una vasta gamma di potenziali ap-plicazioni nelle raffinerie; tra le altre, il monitoraggio del catalizzatore nei processi del feniletilene e nelle colonne di distillazione, controllare la rigenerazione del catalizzato-re nelle unità di reforming (FCR) o misurare la temperatura nei diplegs e cyclones durante il processo di fluid catalytic cracking (FCC).

Speciali supporti a basso profilo per le sonde multipointDa questo momento in poi, per diversi anni, le normative sulle emissioni di gas in atmosfera sono diventate in tutto molto più restrittive, con un conseguente impatto sulla qualità dei carburanti, in particolare riguardo al contenuto di zolfo. Come risposta alle esigenze di queste industrie, si è verificato un considerevole aumento delle sonde di temperatura multipoint sia negli impianti di hydrocracking che di hydrotreatment. Sfortunatamente, l’elevato numero dei punti misura nei re-attori si è rivelato dannoso per la portata e la distribuzione del fluido di processo e della qualità del carburante ottenu-to. Per ridurre al minimo le ripercussioni negative nei reat-tori, Gayesco ha progettato speciali supporti a basso pro-filo adatti per le sonde di temperatura multipoint. La com-binazione di questi supporti con il know-how riguardante la geometria del reattore per identificare il percorso migliore delle termocoppie consente comunque di ridurre al mini-mo questi effetti.Gli sforzi degli ingegneri R&D di Gayesco sono costante-mente orientati verso il miglioramento delle sonde multi-point per le misure della temperatura radiale. Queste son-de utilizzano un sistema di sicurezza primario e uno secon-dario; in opzione possono includere una camera di sicurez-za ermetica che può essere monitorata nel caso in cui uno dei suddetti sistemi dovesse guastarsi. In Gayesco, per i punti di transizione delle termocoppie si utilizzano come standard dispositivi di tenuta speciali. Sic-come la dimensione di una termocoppia può variare in fun-zione dell’applicazione, la durata della stessa è un fattore molto importante. I cavi in ossido minerale (cavo MGO) uti-lizzati per la costruzione delle termocoppie sono specifica-mente ingegnerizzati con materiali e spessori di parete maggiorati. l

A causa della complessa struttura interna con molteplici punti sensibili in una sola guaina, se questa risultava dan-neggiata venivano a mancare tutti i punti di misura con-temporaneamente. Inoltre, le riparazioni in sito si dimo-strarono impossibili da eseguire.

Vasta gamma di potenziali applicazioni nelle raffineriePer dimostrare quanto il sistema Flex-R® sia affidabile e funzionale, la prima sonda di temperatura multipoint di questa serie fu installata da Gayesco nel 1988 presso il reattore della raffineria Shell a Woodriver, in Illinois. Tutti i 260 punti di misura, posti nei diversi livelli dei letti del ca-talizzatore, hanno funzionato negli ultimi 26 anni senza problemi e senza un solo guasto, superando anche i cicli di manutenzione quando il catalizzatore viene svuotato.I vantaggi della misura di temperatura radiale in un reatto-re vanno oltre la semplice possibilità di identificare gli hot-spot: questi strumenti consentono di ottenere simultanea-mente informazioni sulla cattiva distribuzione del catalizza-tore e di prevederne la durata. Inoltre, le sonde di tempe-ratura flessibili multipoint possono essere anche utilizzate per la valutazione delle prestazioni top-of-bed.

l Percorso delle

termocoppie all’interno

del reattore.

l Outing of the

thermocouples

within the reactor.

l Gli sforzi degli ingegneri R&D di Gayesco sono costantemente orientati verso

il miglioramento delle sonde multipoint per le misure della temperatura radiale.

l The efforts by R&D engineers to improve multipoint thermometers for radial

temperature measurement are still continuing.

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