基于塔设备列入化工设备拆装实训项目实施探讨*

姜国平，刘 海，刘天霞，靳 菲，张正国

(北方民族大学化工学院，宁夏 银川 750021)

塔设备是石油化工生产装置中体积和高度相对较大的压力容器，是石油化工装置中不可缺少的重要组成部分，是完成某些工艺介质吸收、萃取、解析、分离的重要传质、传热设备，一般都是通过塔设备完成通过一系列的物理步骤完成两种及多种化工原料的接触及分离，使石化生产过程安全、稳定、经济运行。塔设备根据生产工艺条件和完成工艺任务的不同具有相应的结构种类，通过塔内件的不同型式来满足各工艺生产目标的需要。因此，高校化工类专业学生在化工设备拆装实训中引入塔设备拆装实训项目很有必要，通过对石油化工装置中塔设备的内部结构和密封性能进行分析，有助于强化学生对塔设备的系统学习，减少专业理论学习与工程实际的差异性，使学生更明白专业理论来源于实践并为工程实际服务的宗旨。

1 塔设备拆卸实训课程设置

塔设备拆装作为化工类学生实践教学课程化工设备拆装的实训项目的确在课程建设初期我们也经过了反复的论证后才开始项目实施的。主要考虑塔设备从高度、重量及占地面积来说存在很多的实际问题，从安全角度考虑也存在一些隐患，但是我们在困难面前，大家经过企业调研和认真讨论，最终决定自行设计非标塔设备模型，主要包括板式塔和填料塔两种，其中板式塔可以制作不同类型的塔盘，这样就可以减少塔设备数量，塔设备筒体部分按照法兰连接方式将筒体部分分为上段、中段、下段，这样大大减轻了设备主体结构的重量，更方便学生的拆装和安全防护[1]。

1.1 塔设备拆装实训目的

(1)掌握典型板式塔、填料塔的结构、塔内件组装、塔体试压操作、人孔、接管密封系统连接、装配等技能，了解填料塔内件的结构、工作原理、安装方式，如：液体分布器(喷淋装置)、气相分布器、填料支撑圈、填料、填料压板、除沫器等；了解板式塔内件的结构、工作原理、安装方式，如各种塔盘、塔盘支撑等。

(2)掌握塔设备拆装实训步骤、拆装实训安全注意事项、零部件检查、检验常识。塔设备拆装要先按照塔体的连接关系分段拆卸，塔内件在塔体分离后再进行内件的拆卸。

(3)了解填料塔各内件的结构及固定、装配关系，明确其工作原理，在拆装实训过程中引入塔设备及零部件材料的讨论，加深对塔设备设计、制造、使用过程中材料与工艺安全生产的关系[2]。

(4)待将塔设备拆卸完成后，用计量及测量工具对塔设备主要零部件进行测量，绘制草图并标注尺寸，以便完成实训报告中要求的零部件图的测绘要求。

1.2 塔设备拆装实训教学内容及注意事项

(1)通过专业理论课程如化工原理、化工机械设备基础两门课程指定教材内塔设备图例结合实训中心塔设备模型了解板式塔和填料塔的结构特点，分析其各零部件作用和连接关系及详细的拆装程序。

(2)塔设备拆装实训教学环节组织实施以小组为单位，每班分成4各小组，每小组人数6～10人，各小组根据指导教师的安排和拆装要求分工完成板式塔、填料塔拆装任务。

(3)为了锻炼学生对塔设备主体及零部件结构的进一步了解，拆装实训要求需要选部分关键零部件进行测绘，初步测量定形、定位尺寸，并按要求进行测绘并绘制草图[3]。

(4)结合专业理论课程教材了解板式塔、填料塔的工作原理，气、液相选择路径及流动方向，明确塔设备各附件的作用和特点。

(5)塔设备属于高大型设备，作为学生拆装实训的塔设备尽管尺寸大大地缩减，但塔设备毕竟是碳钢材料制作，重量、体积整体还是偏大，所以学生在拆装时用到电动葫芦、吊具等辅助工具，吊装时加强现场的监控管理，做好安全防护措施，确保拆装过程安全。

(6)严禁学生独立操作电动葫芦，由经过职业培训的指导教师负责操作电动葫芦。吊装过程中严禁吊钩下方站人；严禁违章操作，防止因重物脱落发生事故，如果条件容许，可以由人力取代电动葫芦，这样更有利于安全管理。

(7)塔设备拆装过程中，注意拆装小组组员之间的协作和配合，并有专人指挥，塔内件的拆卸注意先后顺序和拆装安全注意事项，塔内件一般现场配置几种类型，以便于学生更好地了解内件的结构区别和性能特点，比如：舌形塔盘、浮阀塔盘、泡帽塔盘等作为对比，各种塔内件以现场指导教师讲解为主，拆卸为辅[4]。

(8)塔设备拆装实训记录按照拆卸先后顺序编写，拆卸过程中不同塔的各零件(不能混放)，尽可能做好拆装现场文明管理。

图1 塔设备拆装实训装置实物图Fig.1 Physical drawing of shell-and-tube heat exchanger

2 填料塔设备内部主要零部件

塔设备作为大型化工设备，其塔内零部件根据其用途的差异内件有不同的结构和特征。塔设备的内件主要是为塔内介质气液相或液液相之间提供传质、传热的接触机会；塔设备内部零部件的主要形式是根据两大类塔设备来划分的，填料塔、板式塔作为两种最常见的塔设备类型，在石化行业产品生产过程中，发挥了重要的作用。作为常用作吸收过程的填料塔，其内件主要包括支撑和限制填料的支撑装置和压紧装置；用于液相和气相分配的的布液器和气体分配器及液体再分布器和收集器等；还有用于防止处理气沫夹带而配置的除沫器等。常用作精馏过程中的板式塔其内部零部件主要有塔盘(塔盘类型较多)、塔盘支撑装置(板式塔)、集液箱(板式塔)、液体进料分布器、气体进料管及分布装置和除沫器等，塔设备拆装主要是针对塔内件的拆装，下面介绍几种典型的塔内件及其结构特点[5]。

2.1 填料支承装置结构特点

填料支承装置属于非标设计，它主要与塔体配合形成可拆或不可拆连接结构。它的主要功能就是在塔内支撑填料及其附件的重量，并确保塔内气、液两项上、下畅通，并能进行传质和传热。常用的填料支承装置一般由两部分组成，包括填料支撑圈和填料支撑筛板，筛板类型也有很多种，最常见的如栅板型、孔管型、驼峰型等，填料筛板依靠填料支撑圈固定，填料筛板主要负责支撑填料和部分液相重量[6]。在塔设备设计过程中，填料支承装置的选用和设计要参考很多工艺参数，一般结构设计要考虑塔径、塔内充装填料的类型、材质、气液流速等综合因素考虑才能最终确定。

2.1.1 填料支承装置设计对精馏操作的影响

填料支承装置属于非标附件，在填料塔设计过程中，如果设计选型不合理，填料塔的正常传质过程会受到干扰，甚至会发生填料支撑圈上首先发生液泛现象，这样就会直接影响到吸收或者分离的效率。为了使填料塔内的气体能够顺利通过填料层，填料支撑装置要保证必要的孔隙率，一般要求其空隙截面大于塔设备筒体横截面的一半以上，所以填料支撑装置基本都是多孔的结构。在工程实际设计中，为了确保气液更好地传质并顺利通过填料层，还要考虑到塔内装上填料后因填料自身结构会将塔内流通截面缩小，因此在选择填料支撑装置或设计时充分考虑气液两相流经支撑装置时的阻力和流通截面，确保工艺介质吸收过程稳定。否则，因设计和选型不合理，支撑装置空隙率太低，填料塔吸收过程会产生液泛或者液体截留现象，不仅导致填料塔内压降增大，介质流通阻力明显提高，大大降低了吸收效率，而且还会造成生产不稳定，发生填料塔液泛工艺操作事故。

2.1.2 填料支承装置在工程上应该满足的条件

在填料塔操作运行过程中，除了填料本身以外，填料支承装置也会对填料塔内的气液流动传质质量造成一些不良的工艺结果，作为填料塔中填料支撑装置的选用要引起足够重视，除了考虑其对塔内传质的工艺介质(气相、液相)的运行状态有干扰外，还要针对填料支承装置提出以下技术特性要求：

首先填料支撑装置要有足够的强度和刚度，填料支撑装置主要载荷就是承重，塔内所有介质重量、填料及附件重量有是很重，如果其刚度和稳定性不够，容易引起支撑装置变形。此外还要考虑在操作过程中因操作系统的压力波动、泵压缩机等引起的塔设备机械震动会产生一些流体阻力，也要考虑塔设备不同位置温度波动等因素。填料支撑栅板上还要有足够的开孔率(一般要大于填料的空隙率)，这样可以提升气液流通截面，以防止在填料支撑装置附近首先发生液泛现象。填料支撑栅板多数呈镂空式设计，保证孔隙率的基础上，其强度、刚度、抗腐蚀性耐热性等方面的要求也要根据工艺条件来综合考虑，这样才能使支撑装置结构、选材合理，降低生产成本，其次填料支撑装置要有一定的耐腐蚀性，能够具备化学介质的腐蚀和冲刷，确保填料塔设备的长时间稳定运行。

2.2 填料压紧装置及作用

填料压紧装置是限制填料随气流漂浮和发生逃逸的附件，填料压板一般不需要专门的固定方式，常常自由将其放置在填料层上端，依靠自身重量将填料压紧的一种非标塔内件。由于填料的材质多种，一些重量比较轻的填料容易在高压气体中产生漂浮现象。为了防止操作过程中，从塔底进入的上升气流至下而上冲刷填料层，填料因一定压力下的气流冲涮引起填料层松动、漂浮，尤其是材质较轻的塑料材质填料会顺着气流漂浮，严重影响正常传质，甚至会造成塔顶排气管路堵塞。填料压紧装置很多可以考虑非标设计，大直径塔设备的压紧装置可以采用分块组装式，可以不用在塔内固定。小塔径压紧装置可以考虑用螺栓通过筋板和塔的筒体内壁固定，属于可拆式连接。

2.2.1 填料压紧装置类型

填料压紧装置根据安装位置不同分为填料压板和床层限制板两种类型，每种压紧装置又根据其结构形成不同的型式。填料压板一般适用于陶瓷、石墨等材质制造的填料，这种类型的填料一般属于散装填料，因为这些材质制成的填料容易在外力冲击和作用下发生破碎现象，从而造成填料层孔隙率降低，增大流体流动阻力。填料塔床层限制板一般用于规整填料或者散装填料的限位，比如用金属、工程塑料等材料制成的填料类型一般不容易发生破碎，填料床层限制板可以防止填料发生局部分离松散现象，造成填料层内局部发生空穴或断层，破坏填料传质的连续性和稳定性，影响正常的吸收操作运行。

值得注意的是，由于金属及工程塑料材质的填料具备一定的柔韧性，在气流冲涮过程中飘逸、碰撞不会发生破碎现象，而且此类材质的填料弹性好，在填料装卸过程中不会使填料产生塑性变形造成填料层高度下降，为了固定床层限位器，最好将床层限位器通过螺栓结构固定在填料塔内壁上。为不影响填料塔内液体分布器的安装和正常使用，不能采用不可拆的焊接结构，尤其不能采用连续性焊接方式，对于小直径填料塔可用螺钉定位，固定在塔壁上，而对于大直径填料塔一般选用支耳来固定。

2.2.2 填料压紧装置的自由截面积要求大于70%

填料压紧装置和填料支撑装置在孔隙率的要求上是一致的，只是两种填料塔内件安装位置不同，作用不一样而已。尽管填料压紧装置和支撑装置都要求具备一定的孔隙率，但是对它们孔隙率的具体要求有差异，由于压紧装置位置高，塔内压降更大，所以其孔隙率通过工程上的设计经验来确定，一般取压紧装置的孔隙率要求大于塔设备筒体内直径的自由横截面的70%，因为压紧装置不存在承重的要求，所以在设计时可以实现多孔结构的改进和优化设计。

2.3 液体分布装置结构特点

液体分布器是填料塔液体进入塔内后进行二次分配的附件，根据其安装位置不同，可分为一次液体分布器和二次液体分布器，一次液体分布器安装在填料塔床层上部，主要作用是将从塔上部进入的液体介质经过一次液体分布器均匀分配，液体以喷洒状态分布到床层填料表面上。一次液体分布器的对液体分布均匀的程度往往会影响到填料塔的吸收效率，如果一次液体分布器的结构设计不完善，导致液体经管道进入塔内后分配不均，会使床层填料湿润面积大大降低，严重还会使液体分流过程中产生沟流、偏流现象，塔内气液两相流之间接触几率明显下降，造成吸收效率偏低。由此可见，填料塔一次液体分布器的设计和选型非常关键，除了考虑均匀分布外，还要考虑排液孔的堵塞、腐蚀等问题。尤其是针对大直径低填料层的填料塔，一次液体分布器的选型和设计提出更高的性能要求。

2.3.1 填料塔一次液体分布器的的选用

吸收塔一次液体分布器的性能主要有以下三点：液体分布器的布液点分布密度大小；布液点在布液器上分布的均匀性程度；布液点上液相介质组成的一致性。工程上设计液体分布器主要就要从这三个方面作为设计原则。液体分布器的选型和设计，一般要满足以下条件：(1)液相介质在塔内要均匀分布；(2)尽力增大塔设备的自由截面率；(3)吸收过程对介质流量适应性强、操作弹性较大；(4)液体分布器不发生空隙堵塞、不产生雾沫夹带和发泡现象等；(5)液体分布器在材质选用上要根据吸收工况来决定，还要保证液体分布器的适用性，操作、维修、安装方便，使用过程中发生倾斜故障便于调整其水平度[7]。

2.3.2 液体分布器的分类

工程上液体分布器的类型较多，一般根据塔径和填料类型有很多选用原则。如果以进入塔内液体流动的推动力区分，液体分布器可以分为重力式和压力式两种，按照液体分布器的机械结构型式划分可分为密孔型和自溢型。在小塔径的液体分布器中多采用密孔型，比如：莲蓬头分布器、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体自流型液体分布器有两种类型：分别是盘式液体分布器和槽式液体分布器。作为塔设备液体分布器拆装，结构越复杂的液体分布器拆装越繁琐，所以关键考核液体分布器的适用性。

3 塔设备拆装实训考核

塔设备拆装实训项目属于化工设备拆装实训实践教学课程的实训项目之一，塔设备因其高度、重量等实际状况，在校内工程实训基地进行拆装的确存在一些很难解决的现实问题。为了使学生更好地了解塔设备结构和各零部件功能，现场以塔设备模型进行结构讲解和演示，塔内件也是制作一些代表性的模型，分别对两大类型塔设备进行拆装，然后完成塔设备零部件的测绘和拆装实训报告的编写。最终考核成绩由拆装实训课程课堂表现+团队协作能力+拆装实训报告三方面按一定比例汇总得到塔设备拆装实训项目成绩，这个实训项目考核过程中，注重考核学生在实训课堂的整体表现，过程评价占有50%以上的成绩。

4 结 语

将塔设备纳入化工设备拆装实训课程项目是一件比较难于实现的教学过程，我们通过对塔设备进行非标设计，用设备模型作为拆装对象，既满足了学生对塔设备拆装过程工程技能的提升，也使学生亲自动手进行塔设备拆装实训，锻炼和强化了学生的动手能力和应用专业理论处理工程问题的能力。学生通过塔设备拆装实训，对两大类型的塔设备其结构、零部件材质、性能及各自的安装连接方式有了明确的认识和理解，做到了工程实践与企业生产实际相结合，提升了化工专业类大学生工程技能和过程素养。