高職教育畢業設計指導方法探究

畢業設計是高等職業教育學生畢業前最重要的一項綜合訓練，是檢驗學生三年（五年）理論課程學習掌握程度、工廠實習收獲的一種必要手段。作為現代的新式高等職業教育（高中畢業讀三年或初中畢業讀五年），既要考慮傳授的理論知識夠用，又要對學生進行必要的實踐訓練。這就為現代高等職業教育學生的畢業設計提出了更高的要求。筆者就指導化工機械專業學生進行畢業設計——脫硫塔的材料選擇，談一談自己的看法。

一、脫硫塔鋼結構部分的選材

化學工程問題與所有工程問題一樣，都必須具有四種觀念：理論上的正確性、技術上的可行性、操作上的安全性、經濟上的合理性。對于現代高等職業教育的學生（高職、高專）而言，由于他們所學的理論知識有限，在設計過程中往往把“操作上的安全性”作為指導設計理念的基礎。理論知識不足導致設計的重點在于考慮設備的強度、剛度及穩定性，而對其他相關因素考慮欠缺。這樣，會造成學生今后對工程的實際應用缺乏了解，對工程課題模擬設計計算時會顧此失彼。筆者以合成氨工藝中的脫硫塔材料選擇為例，通過指導學生畢業設計，對工程應用的四種觀念做了較為詳細的闡述。脫硫工藝是將合成氨的原料氣（即水煤氣）進行凈化處理，去除硫化物，保護催化劑的活性不受或少受影響，同時防止硫化物對工藝設備和管道腐蝕的一種方法。化工生產中，脫硫方法很多。其中，濕法脫硫以技術成熟、脫硫效率高、運行可靠、操作簡單而被廣泛采用，脫硫塔則是該方法中的關鍵設備。

筆者在我國規范所采用的常規鋼結構設計理論的基礎上，按照強度、整體穩定和局部穩定來控制脫硫塔殼體的承載能力，提取其他設計規范中概念相當的承載力計算公式和設計參數進行比較分析，淺談脫硫塔鋼結構部分的選材問題。脫硫塔的計算參數主要涉及以下幾個方面：

設計壓力 PW 3.85MPa

操作壓力 PC 3.5MPa

塔殼內徑 Di 1800mm

塔體高度 H 7300 mm

設計溫度t 0℃

工作介質 水煤氣（含有催化劑的水溶液）

厚度附加量C 3mm

焊接接頭系數 1.0

基本風壓q0 350N/m2

地震烈度 8

該設備屬于二類壓力容器，設計時正確地選擇結構材料，對于保證容器的結構合理、安全使用和降低制造成本至關重要。材料的選擇必須考慮如下因素：良好的力學性能；較強的化學穩定性（即耐腐蝕性能、對介質無污染、對環境無危害）；適宜的加工性能（即冷壓成型、焊接性）；合理的經濟性（即設備的工作壽命、維修更新成本）等。

二、脫硫塔選材指導及教學方法改良

1.教學方法的改良

傳統做法是學生自行選擇材料。該做法的前提是學生具備豐富的相關知識，包括工程材料、腐蝕與防護、化工設備管理等。但是，由于新學制下理論課時的減少，課程刪減多，學生自行選擇材料的知識儲備不足，因此，很多學校的設計開始由指導教師提供材料牌號，學生根據所學知識，僅從力學分析角度確定設備的有關尺寸，做出結構設計并繪制成圖。這看似成功完成設計任務，但在答辯時，被問到“為什么要采用某種材料”時，學習好的學生僅能從力學性能（強度、剛度、韌性、疲勞性和抗蠕變性）方面進行闡述，成績一般的學生則回答不完全。有的學生干脆說：“這是老師告訴我的！”這種做法，與檢驗學生綜合利用所學知識能力的初衷背道而馳。

筆者通過指導學生畢業設計，根據學生的知識儲備現狀，從力學性能、化學穩定性、使用壽命和經濟合理性幾方面進行綜合分析，讓學生自行選擇材料。

2.脫硫塔材料的選擇

脫硫塔設備與其他化工設備一樣，是置于室外、無框架的自支承塔體，一般都選用鋼材制造。鋼材各種類的性能各不相同，價格上差異更大。所以，學生在選材時不僅要考慮操作上的安全性，還要著重考慮經濟上的合理性。

（1）脫硫塔支座材料的選擇。脫硫塔支座采用支承式支座，主要承受設備的重量載荷，安裝在室外還應考慮風載荷和地震載荷。支座的失效形式是失穩，工作環境是大氣腐蝕。可供選擇的材料是Q235和16Mn。比較這兩種材料的強度：16Mn[σ]t=170MPa，Q235[σ]t=113MPa，二者的彈性模量均為E=2×105MPa左右，焊接性能相近；在大氣環境下表面做防腐涂漆后，二者耐腐蝕能力相同，但16Mn的價格比Q235高10%左右。從經濟合理性角度考慮，學生自然會選用Q235做支座材料。

（2）脫硫塔殼體材料的選擇。脫硫塔的殼體承受的內壓，氣體壓力Pc=3.85MPa，為中壓力容器。從制造角度分析，Q235和16MnR均可以選用（因為壓力成型和焊接性能相近），但16MnR的[σ]=170MPa，Q235的[σ]=113MPa，可見，16MnR的強度較Q235高出30%左右，因此，選用16MnR可以使得設備材料使用減少30%。同時，其安裝費用也有所減少。盡管16MnR的單價比Q235高10%左右，選用16MnR作為課題材料，總體制造費用仍可以減少20%以上。殼體上封頭與筒體的連接采用法蘭連接，根據使用壓力、直徑和操作溫度，宜采用長頸對焊法。從力學性能和制造要求，也同樣選擇16MnR來制造。

脫硫塔是濕式氧化法除去原料氣中硫化物的關鍵設備。由于硫化物的水溶液為酸性，對鋼材腐蝕嚴重，因此該殼體應選用耐腐蝕性材料或采用鋼材與其他耐腐蝕性材料做成的復合材料。由于塔體重量較大（殼體重量約為27400kg），整體采用18-8不銹鋼是不可行的，在實際制造中應采用復合材料。由于操作介質是稀硫酸，操作溫度t=70℃，操作壓力Pw=3.5MPa，只能采用金屬襯里，所選材料可以是軟鉛或18-8不銹鋼。從價格考慮，鉛比18-8不銹鋼有優勢，但考慮到施工時，鉛對施工人員的傷害、對大氣環境的污染、對吸收劑和催化再生以及對副產品硫磺品質的影響，采用18-8不銹鋼作為襯里材料較為合適。

脫硫塔的操作過程是含硫化物的原料氣在塔底與含有吸收劑和催化劑的水溶液接觸吸收硫化物。經洗滌后的原料氣中，含強酸性介質很少，對低合金結構鋼的腐蝕速率較低。在設計時，只要選用合理的腐蝕裕度（C=2mm），即可保證脫硫塔在使用壽命周期內的安全性。通過以上分析，學生可以選用18-8不銹鋼（δ=3mm）在塔體液浸潤段采用局部襯里最為合理。下封頭較常用16MnR成型內襯18-8不銹鋼與筒體焊接而成。

綜上所述，學生就會從既經濟又安全環保的前提下，根據設計條件、制造施工及操作工藝要求選用材料：脫硫塔的塔殼外表采用16MnR卷焊；上封頭選用16MnR，上封頭和筒體的連接采用長頸法蘭連接；下封頭選用16MnR，下封頭和筒體的連接采用焊接，內部操作液浸潤段采用18-8不銹鋼襯里；支座選用Q235A制造。

通過這一系列的工作，學生對工程設計中的材料選擇有了一個比較系統的認識。由被動接受知識、生搬硬套設計過程轉變為主動接收知識，并綜合應用所學課程進行獨立設計。這對于提高學生對知識的綜合利用，在工程設計過程中對操作安全、環境保護以及經濟合理性的思考，都具備了較清晰的認識，為他們今后走向工作崗位提供了一定的知識和技能儲備。

（作者單位：南京化工高級技工學校）