狹窄場地母液洗滌塔設計初探

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中煅燒工序的關鍵設備，生產過程中濾過工序來的冷母液通過上部管線進入塔內，自上而下流經填料層或篩板層，與從塔下部進入塔內的高溫爐氣進行逆流接觸換熱，降低進入壓縮機爐氣溫度的同時，有效提高進入蒸餾工序的母液溫度，在生產中起著至關重要的作用。該塔位于煅燒工序塔區內，2001年投入使用，隨著公司產能的不斷提高，塔區生產系統中設備、管道漸漸增多，塔區內可利用空間逐步減少，塔周設備密布，管線在空間內交叉縱橫，檢修空間十分狹窄。當前，設備逐漸老化，設備更新提上日程，選址再建安裝已無可能，唯有原址更換。但是，復雜多變的狹窄環境對風力的影響造成設備承受風載的改變，給設備設計的強度校核帶來一定的難度，本文對此進行了初步的探索和研究。

1 設計思路

圖1 母液洗滌塔

狹窄場地設計塔類設備首先考慮的就是風載，由于輕灰車間塔區各種塔類密布，當氣流通過時由于空氣質量不能大量堆積，前面氣流不能順利通過，后面的風又吹過來形成向前的推力，于是氣流加速流過塔區空隙，風力加大。這就是所謂的 “狹管效應”，也就是我們常說的“穿堂風”。所以在設計時要充分考慮其它設備對風力的影響。是否出現狹管效應與其它各個設備的高度、相對位置、相對距離、幾何形狀，都有著密不可分的關系。同時由于地面水泥基礎，管道，閥門等阻擋氣流方向也會發生改變。風在設備間并不是平穩的流動，毫無規則起伏不定，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，進一步加劇了氣流方向的復雜性形成“湍流”。由于大多數設備都有檢修平臺，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一步加大 “湍流”現象。通過對現場各類塔、罐設備進行詳細分析，進行了相應的計算。同時由于我公司處于沿海地區風力較大，在計算時以天津地區的風壓值作為基本風壓值。為了進行地震彎矩和風彎矩的校核，對塔劃分成第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段進行計算。為了盡量減小設備自重，提高設備強度，選用TA2材質制作。為了避免鈦材現場焊接，設備整體生產廠家制作，各種附件均使用螺栓連接形式。

2 計算過程

為了進行地震彎矩和風彎矩的校核，同時根據母液塔的自身結構特點和附屬零部件分布情況，對塔體進行分段，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備的自重和附屬部件重量及操作物料重量等總重量，根據自振周期公式進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彎矩校核的一個重要分析因素。計算參數見表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行校核。計算參數見表3、4、5。

表2 自振周期計算參數②(單位：mm)

表3 水平地震力設計參數

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

表4 垂直地震力設計參數

表5 地震彎矩設計參數

2.3 風彎矩計算

計算水平風力，進而對風彎矩進行計算。計算參數見表6、7、8。

表6 水平風力設計參數①

表7 水平風力設計參數②

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

表8 風彎矩設計參數

2.4 對母液塔的最大彎矩進行計算校核

塔設備任意截面I-I處的最大彎矩按下式計算：

塔設備任意截面0-0處的最大彎矩為：

將對應的數值代入公式可得，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行計算校核

表9 地腳螺栓螺紋最小徑設計參數

(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，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值，根據現場位置及腐蝕情況選擇M36 8.8級規格的地腳螺栓。

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

3 結 語

通過這次對輕灰塔區母液洗滌塔的設計改造，滿足了化工工藝生產及環保要求，同時也為在狹窄場地設計塔類設備的計算校核積累了一定的經驗。