狹窄場地母液洗滌塔設(shè)計初探

邵 君

(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

母液洗滌塔是氨堿法生產(chǎn)中煅燒工序的關(guān)鍵設(shè)備，生產(chǎn)過程中濾過工序來的冷母液通過上部管線進(jìn)入塔內(nèi)，自上而下流經(jīng)填料層或篩板層，與從塔下部進(jìn)入塔內(nèi)的高溫爐氣進(jìn)行逆流接觸換熱，降低進(jìn)入壓縮機(jī)爐氣溫度的同時，有效提高進(jìn)入蒸餾工序的母液溫度，在生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。該塔位于煅燒工序塔區(qū)內(nèi)，2001年投入使用，隨著公司產(chǎn)能的不斷提高，塔區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)備、管道漸漸增多，塔區(qū)內(nèi)可利用空間逐步減少，塔周設(shè)備密布，管線在空間內(nèi)交叉縱橫，檢修空間十分狹窄。當(dāng)前，設(shè)備逐漸老化，設(shè)備更新提上日程，選址再建安裝已無可能，唯有原址更換。但是，復(fù)雜多變的狹窄環(huán)境對風(fēng)力的影響造成設(shè)備承受風(fēng)載的改變，給設(shè)備設(shè)計的強度校核帶來一定的難度，本文對此進(jìn)行了初步的探索和研究。

1 設(shè)計思路

圖1 母液洗滌塔

狹窄場地設(shè)計塔類設(shè)備首先考慮的就是風(fēng)載，由于輕灰車間塔區(qū)各種塔類密布，當(dāng)氣流通過時由于空氣質(zhì)量不能大量堆積，前面氣流不能順利通過，后面的風(fēng)又吹過來形成向前的推力，于是氣流加速流過塔區(qū)空隙，風(fēng)力加大。這就是所謂的 “狹管效應(yīng)”，也就是我們常說的“穿堂風(fēng)”。所以在設(shè)計時要充分考慮其它設(shè)備對風(fēng)力的影響。是否出現(xiàn)狹管效應(yīng)與其它各個設(shè)備的高度、相對位置、相對距離、幾何形狀，都有著密不可分的關(guān)系。同時由于地面水泥基礎(chǔ)，管道，閥門等阻擋氣流方向也會發(fā)生改變。風(fēng)在設(shè)備間并不是平穩(wěn)的流動，毫無規(guī)則起伏不定，而各種塔、罐、管道的散熱，由于熱空氣向上運動的特性又有了上升趨勢，進(jìn)一步加劇了氣流方向的復(fù)雜性形成“湍流”。由于大多數(shù)設(shè)備都有檢修平臺，氣流從下向上受到平臺阻擋，再次改變方向，這樣頻繁改變方向進(jìn)一步加大 “湍流”現(xiàn)象。通過對現(xiàn)場各類塔、罐設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)行了相應(yīng)的計算。同時由于我公司處于沿海地區(qū)風(fēng)力較大，在計算時以天津地區(qū)的風(fēng)壓值作為基本風(fēng)壓值。為了進(jìn)行地震彎矩和風(fēng)彎矩的校核，對塔劃分成第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段進(jìn)行計算。為了盡量減小設(shè)備自重，提高設(shè)備強度，選用TA2材質(zhì)制作。為了避免鈦材現(xiàn)場焊接，設(shè)備整體生產(chǎn)廠家制作，各種附件均使用螺栓連接形式。

2 計算過程

為了進(jìn)行地震彎矩和風(fēng)彎矩的校核，同時根據(jù)母液塔的自身結(jié)構(gòu)特點和附屬零部件分布情況，對塔體進(jìn)行分段，共四段，第Ⅰ段長度為5 586 mm，第Ⅱ段長度為4 625 mm，第Ⅲ段長度為2 630 mm，第Ⅳ段長度為2 615 mm。以下表格中的字母代號可從《壓力容器與化工設(shè)備使用手冊》中查閱。

2.1 計算塔體的自振周期

第一步需要計算每段設(shè)備的自重和附屬部件重量及操作物料重量等總重量，根據(jù)自振周期公式進(jìn)而求得塔體自振周期，自振周期的確定是塔體動力特性分析的一個重要部分，也是接下來的對塔體地震彎矩與風(fēng)彎矩校核的一個重要分析因素。計算參數(shù)見表1、2。

2.2 水平地震力和垂直地震力的計算

水平地震力和垂直地震力的計算是為了對地震彎矩進(jìn)行校核。計算參數(shù)見表3、4、5。

表2 自振周期計算參數(shù)②(單位：mm)

表3 水平地震力設(shè)計參數(shù)

由公式Fk1=Czηk1mkg，可得水平地震力Fk=144 795.6005 N。

表4 垂直地震力設(shè)計參數(shù)

表5 地震彎矩設(shè)計參數(shù)

2.3 風(fēng)彎矩計算

計算水平風(fēng)力，進(jìn)而對風(fēng)彎矩進(jìn)行計算。計算參數(shù)見表6、7、8。

表6 水平風(fēng)力設(shè)計參數(shù)①

表7 水平風(fēng)力設(shè)計參數(shù)②

由公式P1=K1·K2iq0filiDei×10-6，可得水平風(fēng)力Pi=23 082 N

表8 風(fēng)彎矩設(shè)計參數(shù)

2.4 對母液塔的最大彎矩進(jìn)行計算校核

塔設(shè)備任意截面I-I處的最大彎矩按下式計算：

塔設(shè)備任意截面0-0處的最大彎矩為：

將對應(yīng)的數(shù)值代入公式可得，最大彎矩是0-0截面的地震彎矩，為1 847 867 514 N·mm。

2.5 對母液塔的地腳螺栓進(jìn)行計算校核

表9 地腳螺栓螺紋最小徑設(shè)計參數(shù)

(取較大值)

可得地腳螺栓根徑d1=28.85 mm。

由于需要用母液洗滌塔的舊土建基礎(chǔ)，故需32個地腳螺栓跨中均布，選用M30及其以上的地腳螺栓即可滿足計算數(shù)值，根據(jù)現(xiàn)場位置及腐蝕情況選擇M36 8.8級規(guī)格的地腳螺栓。

在塔徑不變,高度不變的情況下要提高生產(chǎn)能力就要盡可能的增加爐氣與母液的接觸, 篩板孔數(shù)增加：原開孔數(shù)量為610個，由下向上依次φ62、φ60、φ58、φ55、φ50，現(xiàn)開孔數(shù)量為666個，由下向上依次φ62、φ60、φ58、φ55、φ50。同時按照原設(shè)計布置進(jìn)氣分布器、液體分布器、絲網(wǎng)除沫器。通過安裝投用后達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 結(jié) 語

通過這次對輕灰塔區(qū)母液洗滌塔的設(shè)計改造，滿足了化工工藝生產(chǎn)及環(huán)保要求，同時也為在狹窄場地設(shè)計塔類設(shè)備的計算校核積累了一定的經(jīng)驗。