基于塔設備列入化工設備拆裝實訓項目實施探討*

姜國平，劉 海，劉天霞，靳 菲，張正國

(北方民族大學化工學院，寧夏 銀川 750021)

塔設備是石油化工生產(chǎn)裝置中體積和高度相對較大的壓力容器，是石油化工裝置中不可缺少的重要組成部分，是完成某些工藝介質(zhì)吸收、萃取、解析、分離的重要傳質(zhì)、傳熱設備，一般都是通過塔設備完成通過一系列的物理步驟完成兩種及多種化工原料的接觸及分離，使石化生產(chǎn)過程安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。塔設備根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和完成工藝任務的不同具有相應的結(jié)構(gòu)種類，通過塔內(nèi)件的不同型式來滿足各工藝生產(chǎn)目標的需要。因此，高?；ゎ悓I(yè)學生在化工設備拆裝實訓中引入塔設備拆裝實訓項目很有必要，通過對石油化工裝置中塔設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密封性能進行分析，有助于強化學生對塔設備的系統(tǒng)學習，減少專業(yè)理論學習與工程實際的差異性，使學生更明白專業(yè)理論來源于實踐并為工程實際服務的宗旨。

1 塔設備拆卸實訓課程設置

塔設備拆裝作為化工類學生實踐教學課程化工設備拆裝的實訓項目的確在課程建設初期我們也經(jīng)過了反復的論證后才開始項目實施的。主要考慮塔設備從高度、重量及占地面積來說存在很多的實際問題，從安全角度考慮也存在一些隱患，但是我們在困難面前，大家經(jīng)過企業(yè)調(diào)研和認真討論，最終決定自行設計非標塔設備模型，主要包括板式塔和填料塔兩種，其中板式塔可以制作不同類型的塔盤，這樣就可以減少塔設備數(shù)量，塔設備筒體部分按照法蘭連接方式將筒體部分分為上段、中段、下段，這樣大大減輕了設備主體結(jié)構(gòu)的重量，更方便學生的拆裝和安全防護[1]。

1.1 塔設備拆裝實訓目的

(1)掌握典型板式塔、填料塔的結(jié)構(gòu)、塔內(nèi)件組裝、塔體試壓操作、人孔、接管密封系統(tǒng)連接、裝配等技能，了解填料塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、工作原理、安裝方式，如：液體分布器(噴淋裝置)、氣相分布器、填料支撐圈、填料、填料壓板、除沫器等；了解板式塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、工作原理、安裝方式，如各種塔盤、塔盤支撐等。

(2)掌握塔設備拆裝實訓步驟、拆裝實訓安全注意事項、零部件檢查、檢驗常識。塔設備拆裝要先按照塔體的連接關(guān)系分段拆卸，塔內(nèi)件在塔體分離后再進行內(nèi)件的拆卸。

(3)了解填料塔各內(nèi)件的結(jié)構(gòu)及固定、裝配關(guān)系，明確其工作原理，在拆裝實訓過程中引入塔設備及零部件材料的討論，加深對塔設備設計、制造、使用過程中材料與工藝安全生產(chǎn)的關(guān)系[2]。

(4)待將塔設備拆卸完成后，用計量及測量工具對塔設備主要零部件進行測量，繪制草圖并標注尺寸，以便完成實訓報告中要求的零部件圖的測繪要求。

1.2 塔設備拆裝實訓教學內(nèi)容及注意事項

(1)通過專業(yè)理論課程如化工原理、化工機械設備基礎兩門課程指定教材內(nèi)塔設備圖例結(jié)合實訓中心塔設備模型了解板式塔和填料塔的結(jié)構(gòu)特點，分析其各零部件作用和連接關(guān)系及詳細的拆裝程序。

(2)塔設備拆裝實訓教學環(huán)節(jié)組織實施以小組為單位，每班分成4各小組，每小組人數(shù)6～10人，各小組根據(jù)指導教師的安排和拆裝要求分工完成板式塔、填料塔拆裝任務。

(3)為了鍛煉學生對塔設備主體及零部件結(jié)構(gòu)的進一步了解，拆裝實訓要求需要選部分關(guān)鍵零部件進行測繪，初步測量定形、定位尺寸，并按要求進行測繪并繪制草圖[3]。

(4)結(jié)合專業(yè)理論課程教材了解板式塔、填料塔的工作原理，氣、液相選擇路徑及流動方向，明確塔設備各附件的作用和特點。

(5)塔設備屬于高大型設備，作為學生拆裝實訓的塔設備盡管尺寸大大地縮減，但塔設備畢竟是碳鋼材料制作，重量、體積整體還是偏大，所以學生在拆裝時用到電動葫蘆、吊具等輔助工具，吊裝時加強現(xiàn)場的監(jiān)控管理，做好安全防護措施，確保拆裝過程安全。

(6)嚴禁學生獨立操作電動葫蘆，由經(jīng)過職業(yè)培訓的指導教師負責操作電動葫蘆。吊裝過程中嚴禁吊鉤下方站人；嚴禁違章操作，防止因重物脫落發(fā)生事故，如果條件容許，可以由人力取代電動葫蘆，這樣更有利于安全管理。

(7)塔設備拆裝過程中，注意拆裝小組組員之間的協(xié)作和配合，并有專人指揮，塔內(nèi)件的拆卸注意先后順序和拆裝安全注意事項，塔內(nèi)件一般現(xiàn)場配置幾種類型，以便于學生更好地了解內(nèi)件的結(jié)構(gòu)區(qū)別和性能特點，比如：舌形塔盤、浮閥塔盤、泡帽塔盤等作為對比，各種塔內(nèi)件以現(xiàn)場指導教師講解為主，拆卸為輔[4]。

(8)塔設備拆裝實訓記錄按照拆卸先后順序編寫，拆卸過程中不同塔的各零件(不能混放)，盡可能做好拆裝現(xiàn)場文明管理。

圖1 塔設備拆裝實訓裝置實物圖Fig.1 Physical drawing of shell-and-tube heat exchanger

2 填料塔設備內(nèi)部主要零部件

塔設備作為大型化工設備，其塔內(nèi)零部件根據(jù)其用途的差異內(nèi)件有不同的結(jié)構(gòu)和特征。塔設備的內(nèi)件主要是為塔內(nèi)介質(zhì)氣液相或液液相之間提供傳質(zhì)、傳熱的接觸機會；塔設備內(nèi)部零部件的主要形式是根據(jù)兩大類塔設備來劃分的，填料塔、板式塔作為兩種最常見的塔設備類型，在石化行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，發(fā)揮了重要的作用。作為常用作吸收過程的填料塔，其內(nèi)件主要包括支撐和限制填料的支撐裝置和壓緊裝置；用于液相和氣相分配的的布液器和氣體分配器及液體再分布器和收集器等；還有用于防止處理氣沫夾帶而配置的除沫器等。常用作精餾過程中的板式塔其內(nèi)部零部件主要有塔盤(塔盤類型較多)、塔盤支撐裝置(板式塔)、集液箱(板式塔)、液體進料分布器、氣體進料管及分布裝置和除沫器等，塔設備拆裝主要是針對塔內(nèi)件的拆裝，下面介紹幾種典型的塔內(nèi)件及其結(jié)構(gòu)特點[5]。

2.1 填料支承裝置結(jié)構(gòu)特點

填料支承裝置屬于非標設計，它主要與塔體配合形成可拆或不可拆連接結(jié)構(gòu)。它的主要功能就是在塔內(nèi)支撐填料及其附件的重量，并確保塔內(nèi)氣、液兩項上、下暢通，并能進行傳質(zhì)和傳熱。常用的填料支承裝置一般由兩部分組成，包括填料支撐圈和填料支撐篩板，篩板類型也有很多種，最常見的如柵板型、孔管型、駝峰型等，填料篩板依靠填料支撐圈固定，填料篩板主要負責支撐填料和部分液相重量[6]。在塔設備設計過程中，填料支承裝置的選用和設計要參考很多工藝參數(shù)，一般結(jié)構(gòu)設計要考慮塔徑、塔內(nèi)充裝填料的類型、材質(zhì)、氣液流速等綜合因素考慮才能最終確定。

2.1.1 填料支承裝置設計對精餾操作的影響

填料支承裝置屬于非標附件，在填料塔設計過程中，如果設計選型不合理，填料塔的正常傳質(zhì)過程會受到干擾，甚至會發(fā)生填料支撐圈上首先發(fā)生液泛現(xiàn)象，這樣就會直接影響到吸收或者分離的效率。為了使填料塔內(nèi)的氣體能夠順利通過填料層，填料支撐裝置要保證必要的孔隙率，一般要求其空隙截面大于塔設備筒體橫截面的一半以上，所以填料支撐裝置基本都是多孔的結(jié)構(gòu)。在工程實際設計中，為了確保氣液更好地傳質(zhì)并順利通過填料層，還要考慮到塔內(nèi)裝上填料后因填料自身結(jié)構(gòu)會將塔內(nèi)流通截面縮小，因此在選擇填料支撐裝置或設計時充分考慮氣液兩相流經(jīng)支撐裝置時的阻力和流通截面，確保工藝介質(zhì)吸收過程穩(wěn)定。否則，因設計和選型不合理，支撐裝置空隙率太低，填料塔吸收過程會產(chǎn)生液泛或者液體截留現(xiàn)象，不僅導致填料塔內(nèi)壓降增大，介質(zhì)流通阻力明顯提高，大大降低了吸收效率，而且還會造成生產(chǎn)不穩(wěn)定，發(fā)生填料塔液泛工藝操作事故。

2.1.2 填料支承裝置在工程上應該滿足的條件

在填料塔操作運行過程中，除了填料本身以外，填料支承裝置也會對填料塔內(nèi)的氣液流動傳質(zhì)質(zhì)量造成一些不良的工藝結(jié)果，作為填料塔中填料支撐裝置的選用要引起足夠重視，除了考慮其對塔內(nèi)傳質(zhì)的工藝介質(zhì)(氣相、液相)的運行狀態(tài)有干擾外，還要針對填料支承裝置提出以下技術(shù)特性要求：

首先填料支撐裝置要有足夠的強度和剛度，填料支撐裝置主要載荷就是承重，塔內(nèi)所有介質(zhì)重量、填料及附件重量有是很重，如果其剛度和穩(wěn)定性不夠，容易引起支撐裝置變形。此外還要考慮在操作過程中因操作系統(tǒng)的壓力波動、泵壓縮機等引起的塔設備機械震動會產(chǎn)生一些流體阻力，也要考慮塔設備不同位置溫度波動等因素。填料支撐柵板上還要有足夠的開孔率(一般要大于填料的空隙率)，這樣可以提升氣液流通截面，以防止在填料支撐裝置附近首先發(fā)生液泛現(xiàn)象。填料支撐柵板多數(shù)呈鏤空式設計，保證孔隙率的基礎上，其強度、剛度、抗腐蝕性耐熱性等方面的要求也要根據(jù)工藝條件來綜合考慮，這樣才能使支撐裝置結(jié)構(gòu)、選材合理，降低生產(chǎn)成本，其次填料支撐裝置要有一定的耐腐蝕性，能夠具備化學介質(zhì)的腐蝕和沖刷，確保填料塔設備的長時間穩(wěn)定運行。

2.2 填料壓緊裝置及作用

填料壓緊裝置是限制填料隨氣流漂浮和發(fā)生逃逸的附件，填料壓板一般不需要專門的固定方式，常常自由將其放置在填料層上端，依靠自身重量將填料壓緊的一種非標塔內(nèi)件。由于填料的材質(zhì)多種，一些重量比較輕的填料容易在高壓氣體中產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象。為了防止操作過程中，從塔底進入的上升氣流至下而上沖刷填料層，填料因一定壓力下的氣流沖涮引起填料層松動、漂浮，尤其是材質(zhì)較輕的塑料材質(zhì)填料會順著氣流漂浮，嚴重影響正常傳質(zhì)，甚至會造成塔頂排氣管路堵塞。填料壓緊裝置很多可以考慮非標設計，大直徑塔設備的壓緊裝置可以采用分塊組裝式，可以不用在塔內(nèi)固定。小塔徑壓緊裝置可以考慮用螺栓通過筋板和塔的筒體內(nèi)壁固定，屬于可拆式連接。

2.2.1 填料壓緊裝置類型

填料壓緊裝置根據(jù)安裝位置不同分為填料壓板和床層限制板兩種類型，每種壓緊裝置又根據(jù)其結(jié)構(gòu)形成不同的型式。填料壓板一般適用于陶瓷、石墨等材質(zhì)制造的填料，這種類型的填料一般屬于散裝填料，因為這些材質(zhì)制成的填料容易在外力沖擊和作用下發(fā)生破碎現(xiàn)象，從而造成填料層孔隙率降低，增大流體流動阻力。填料塔床層限制板一般用于規(guī)整填料或者散裝填料的限位，比如用金屬、工程塑料等材料制成的填料類型一般不容易發(fā)生破碎，填料床層限制板可以防止填料發(fā)生局部分離松散現(xiàn)象，造成填料層內(nèi)局部發(fā)生空穴或斷層，破壞填料傳質(zhì)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，影響正常的吸收操作運行。

值得注意的是，由于金屬及工程塑料材質(zhì)的填料具備一定的柔韌性，在氣流沖涮過程中飄逸、碰撞不會發(fā)生破碎現(xiàn)象，而且此類材質(zhì)的填料彈性好，在填料裝卸過程中不會使填料產(chǎn)生塑性變形造成填料層高度下降，為了固定床層限位器，最好將床層限位器通過螺栓結(jié)構(gòu)固定在填料塔內(nèi)壁上。為不影響填料塔內(nèi)液體分布器的安裝和正常使用，不能采用不可拆的焊接結(jié)構(gòu)，尤其不能采用連續(xù)性焊接方式，對于小直徑填料塔可用螺釘定位，固定在塔壁上，而對于大直徑填料塔一般選用支耳來固定。

2.2.2 填料壓緊裝置的自由截面積要求大于70%

填料壓緊裝置和填料支撐裝置在孔隙率的要求上是一致的，只是兩種填料塔內(nèi)件安裝位置不同，作用不一樣而已。盡管填料壓緊裝置和支撐裝置都要求具備一定的孔隙率，但是對它們孔隙率的具體要求有差異，由于壓緊裝置位置高，塔內(nèi)壓降更大，所以其孔隙率通過工程上的設計經(jīng)驗來確定，一般取壓緊裝置的孔隙率要求大于塔設備筒體內(nèi)直徑的自由橫截面的70%，因為壓緊裝置不存在承重的要求，所以在設計時可以實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化設計。

2.3 液體分布裝置結(jié)構(gòu)特點

液體分布器是填料塔液體進入塔內(nèi)后進行二次分配的附件，根據(jù)其安裝位置不同，可分為一次液體分布器和二次液體分布器，一次液體分布器安裝在填料塔床層上部，主要作用是將從塔上部進入的液體介質(zhì)經(jīng)過一次液體分布器均勻分配，液體以噴灑狀態(tài)分布到床層填料表面上。一次液體分布器的對液體分布均勻的程度往往會影響到填料塔的吸收效率，如果一次液體分布器的結(jié)構(gòu)設計不完善，導致液體經(jīng)管道進入塔內(nèi)后分配不均，會使床層填料濕潤面積大大降低，嚴重還會使液體分流過程中產(chǎn)生溝流、偏流現(xiàn)象，塔內(nèi)氣液兩相流之間接觸幾率明顯下降，造成吸收效率偏低。由此可見，填料塔一次液體分布器的設計和選型非常關(guān)鍵，除了考慮均勻分布外，還要考慮排液孔的堵塞、腐蝕等問題。尤其是針對大直徑低填料層的填料塔，一次液體分布器的選型和設計提出更高的性能要求。

2.3.1 填料塔一次液體分布器的的選用

吸收塔一次液體分布器的性能主要有以下三點：液體分布器的布液點分布密度大??；布液點在布液器上分布的均勻性程度；布液點上液相介質(zhì)組成的一致性。工程上設計液體分布器主要就要從這三個方面作為設計原則。液體分布器的選型和設計，一般要滿足以下條件：(1)液相介質(zhì)在塔內(nèi)要均勻分布；(2)盡力增大塔設備的自由截面率；(3)吸收過程對介質(zhì)流量適應性強、操作彈性較大；(4)液體分布器不發(fā)生空隙堵塞、不產(chǎn)生霧沫夾帶和發(fā)泡現(xiàn)象等；(5)液體分布器在材質(zhì)選用上要根據(jù)吸收工況來決定，還要保證液體分布器的適用性，操作、維修、安裝方便，使用過程中發(fā)生傾斜故障便于調(diào)整其水平度[7]。

2.3.2 液體分布器的分類

工程上液體分布器的類型較多，一般根據(jù)塔徑和填料類型有很多選用原則。如果以進入塔內(nèi)液體流動的推動力區(qū)分，液體分布器可以分為重力式和壓力式兩種，按照液體分布器的機械結(jié)構(gòu)型式劃分可分為密孔型和自溢型。在小塔徑的液體分布器中多采用密孔型，比如：蓮蓬頭分布器、管式多孔分布器、列管式多孔分布器等。依靠液位上升形成液體自流型液體分布器有兩種類型：分別是盤式液體分布器和槽式液體分布器。作為塔設備液體分布器拆裝，結(jié)構(gòu)越復雜的液體分布器拆裝越繁瑣，所以關(guān)鍵考核液體分布器的適用性。

3 塔設備拆裝實訓考核

塔設備拆裝實訓項目屬于化工設備拆裝實訓實踐教學課程的實訓項目之一，塔設備因其高度、重量等實際狀況，在校內(nèi)工程實訓基地進行拆裝的確存在一些很難解決的現(xiàn)實問題。為了使學生更好地了解塔設備結(jié)構(gòu)和各零部件功能，現(xiàn)場以塔設備模型進行結(jié)構(gòu)講解和演示，塔內(nèi)件也是制作一些代表性的模型，分別對兩大類型塔設備進行拆裝，然后完成塔設備零部件的測繪和拆裝實訓報告的編寫。最終考核成績由拆裝實訓課程課堂表現(xiàn)+團隊協(xié)作能力+拆裝實訓報告三方面按一定比例匯總得到塔設備拆裝實訓項目成績，這個實訓項目考核過程中，注重考核學生在實訓課堂的整體表現(xiàn)，過程評價占有50%以上的成績。

4 結(jié) 語

將塔設備納入化工設備拆裝實訓課程項目是一件比較難于實現(xiàn)的教學過程，我們通過對塔設備進行非標設計，用設備模型作為拆裝對象，既滿足了學生對塔設備拆裝過程工程技能的提升，也使學生親自動手進行塔設備拆裝實訓，鍛煉和強化了學生的動手能力和應用專業(yè)理論處理工程問題的能力。學生通過塔設備拆裝實訓，對兩大類型的塔設備其結(jié)構(gòu)、零部件材質(zhì)、性能及各自的安裝連接方式有了明確的認識和理解，做到了工程實踐與企業(yè)生產(chǎn)實際相結(jié)合，提升了化工專業(yè)類大學生工程技能和過程素養(yǎng)。