化工裝置的設(shè)備布置及配管設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ050.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1004-0935（2025）07-01196-04

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，化工產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。對(duì)于化工裝置設(shè)計(jì)，設(shè)備布置及配管是關(guān)鍵的工作內(nèi)容。安全、合理的設(shè)備布置是配管設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，配管設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、可行性是設(shè)備布置的前提條件，二者相互影響，密不可分。

1設(shè)備與管道布置原則

1.1設(shè)備布置的原則

設(shè)備布置對(duì)于化工設(shè)計(jì)而言，是非常關(guān)鍵的工作任務(wù)。它不僅會(huì)影響工藝裝置的生產(chǎn)效率，還對(duì)生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用。因此，為了提高工藝裝置的生產(chǎn)效率，合理的設(shè)備布置必須遵守如下原則。

1.1.1 工藝流程原則

設(shè)備布置設(shè)計(jì)不僅應(yīng)與工藝流程相匹配，滿足工藝設(shè)計(jì)的要求，還要根據(jù)設(shè)備功能、安全等級(jí)等特征分區(qū)布置2-4。必須按工藝流程中重力流、固體卸料等注明的標(biāo)高要求布置；處理腐蝕性、毒性或黏稠物料的設(shè)備宜按物料性質(zhì)集中布置，必要時(shí)可采用增設(shè)隔離墻等安全措施。另外，還需考慮地形、全年最小頻率風(fēng)向等因素?？蓴U(kuò)展性裝置需預(yù)留后期工程的空間。除此之外，設(shè)備布置要盡量節(jié)省空間，降低生產(chǎn)成本。

1.1.2 安全原則

化工設(shè)備通常涉及高溫、高壓和易燃易爆等危險(xiǎn)因素，設(shè)備布置需充分考慮環(huán)境保護(hù)、防火、爆炸、勞動(dòng)安全衛(wèi)生及職業(yè)安全衛(wèi)生的要求，確保工藝生產(chǎn)的安全性。嚴(yán)格遵守國(guó)家和行業(yè)的安全規(guī)范合理規(guī)劃設(shè)備、建構(gòu)筑物等間距。用于儲(chǔ)存、生產(chǎn)或使用有毒或污染環(huán)境物料的設(shè)備宜按物料性質(zhì)分區(qū)布置；工藝裝置根據(jù)危害程度分區(qū)布置；產(chǎn)生噪聲的設(shè)備宜與其他設(shè)備隔離布置?；馂?zāi)、爆炸危險(xiǎn)性較大或散發(fā)有害氣體的裝置盡量選擇寬闊、露天的場(chǎng)地，采用露天或半露天布置5-。

1.1.3 便于操作、安裝及檢修

設(shè)備的安裝、操作和檢修是裝置生產(chǎn)常見的工作任務(wù)。設(shè)備間的操作通道、平臺(tái)樓梯、安全通道需符合相關(guān)規(guī)范的要求；設(shè)備間距、凈空高度要便于檢查和維護(hù)。此外，為了便于后續(xù)設(shè)備升級(jí)或更換，還應(yīng)考慮設(shè)備拆卸、替換等情況發(fā)生。

通常設(shè)備的安裝和檢修采用可移動(dòng)式起吊設(shè)備。道路出入口及凈空高度要滿足起吊設(shè)備的出入；預(yù)留搬運(yùn)及吊裝設(shè)備需占用的空間；吊裝方案最好保證檢修時(shí)所有設(shè)備可同時(shí)進(jìn)行；對(duì)于部分設(shè)備（換熱器、加熱爐等）要預(yù)留抽芯空間，防止抽芯時(shí)與其他設(shè)備、管道相撞或延伸至鄰近的安全通道；轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備預(yù)留足夠的檢修空間便于部件的檢修、更換。設(shè)置固定式維修設(shè)備時(shí)，要在相應(yīng)的區(qū)域設(shè)置吊柱、起重設(shè)施、吊梁等。

1.1.4 經(jīng)濟(jì)合理原則

滿足工藝要求的前提下，設(shè)備布置應(yīng)以經(jīng)濟(jì)合理為主，并兼具美觀性，避免物料交叉往返。除特殊工藝要求外，設(shè)備布置要考慮使配管盡量短且彎頭盡量少。為了經(jīng)濟(jì)性，設(shè)備布置可不按工序布置。

1.2 管道布置的原則

管道系統(tǒng)在化工設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，負(fù)責(zé)高效、安全地輸送物料。管道設(shè)計(jì)要滿足工藝流程、相關(guān)規(guī)范的要求，考慮流體特性以防泄露和爆炸，保證壓力損失小、流體流動(dòng)高效，避開設(shè)備吊裝或拆卸區(qū)域[8-10]；管道之間的距離至少 250mm ，特別是管道有突出部分\"；應(yīng)預(yù)留足夠的操作檢修空間；為了裝置后續(xù)可能擴(kuò)建或改造，管道布局要靈活。

設(shè)備布置需充分考慮管道布置空間，便于工作人員的操作、檢修；管道布置需考慮設(shè)備操作、檢修空間及安全通道，設(shè)備布置與管道布置互為設(shè)計(jì)前提，相互制約，設(shè)計(jì)過程中需統(tǒng)籌考慮，做到設(shè)備、管道布置合理性、經(jīng)濟(jì)性、可行性。

2典型設(shè)備的布置及配管要點(diǎn)

2.1 塔設(shè)備

塔設(shè)備，如吸收塔、洗滌塔、萃取塔等，是主要用于兩相(氣液或液液)之間傳質(zhì)與傳熱的設(shè)備，在化工企業(yè)中廣泛應(yīng)用于物料提純與分離。塔設(shè)備是非常關(guān)鍵的工藝設(shè)備，對(duì)于化工裝置設(shè)備成本投資而言，塔類設(shè)備至少占總額的 20% 。塔設(shè)備的平面布置及配管作為工藝裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，塔設(shè)備大多優(yōu)先布置；與塔相關(guān)聯(lián)的管道數(shù)量較多且配管空間有限，很容易發(fā)生碰撞12]。

2.1.1塔設(shè)備的平面布置與安裝高度

根據(jù)工藝流程的要求和工序布置，塔頂冷卻器再沸器等附屬設(shè)備均圍繞塔附近布置。多臺(tái)塔常以中心線對(duì)齊單排布置；直徑較小的塔設(shè)置聯(lián)合平臺(tái)，按多排或三角形布置2；直徑不大于 1m 的塔常設(shè)計(jì)專門的構(gòu)架以增強(qiáng)其穩(wěn)定性[3]。塔的安裝高度不僅要滿足工藝要求，還要綜合考慮塔下方管道操作安裝的最小凈空、管口高度等因素[2]。塔四周劃分為操作側(cè)（檢修側(cè)）與配管所需的管道側(cè)[14，平臺(tái)及檢修通道設(shè)在操作側(cè)，不得妨礙設(shè)備的吊裝。

2.1.2塔設(shè)備的管口方位

內(nèi)構(gòu)件較少的填料塔管口方位設(shè)計(jì)比較靈活，但板式塔由于內(nèi)部裝有塔板、降液管、受液槽等，管口方位的設(shè)計(jì)有較多約束條件見表1。

2.1.3塔設(shè)備的管道布置

管道設(shè)計(jì)規(guī)劃一般從上到下，優(yōu)先布置塔頂大直徑和有特殊要求溫度較高的塔頂餾出管道，再布置其他管道，最后布置塔底和小直徑管道[5]。塔頂氣相管常用L型自然補(bǔ)償，水平管段要足夠長(zhǎng)，“步步低”至冷凝器。并聯(lián)的多臺(tái)冷卻器進(jìn)出物料管道均宜采用對(duì)稱布置。塔側(cè)線管道沿著以設(shè)備為中心的同心圓或塔體切線，與塔體凈距至少 300mm 敷設(shè)，其閥門與管口直連，操作平臺(tái)距閥桿凈距宜0.8～1.5m 。塔側(cè)面的多個(gè)方位不同的管口進(jìn)行配管時(shí)必須具有一定柔性[17-18]

再沸器進(jìn)出料管道布置不僅要考慮熱應(yīng)力，還要盡量減小流動(dòng)阻力。配管要簡(jiǎn)捷，出口管道一般與塔管口直連，減少直管段[1。為了抵消熱膨脹的相對(duì)位移，可以采用在再沸器的支耳上設(shè)置彈簧或在管路上設(shè)置膨脹節(jié)等措施。臥式再沸器的進(jìn)出料管道宜盡量短的直管與塔體相連，如果超出應(yīng)力允許范圍，可通過改變管口方位的方式增加彎頭，加長(zhǎng)直管從而增強(qiáng)管道柔性[12]。

溫度較高的塔底出料管一般“步步低”至泵，不應(yīng)出現(xiàn)“液袋”。在滿足管道柔性的前提下，泵進(jìn)口管路盡量少用管件（如彎頭、閥門等），避免發(fā)生“汽蝕”。管底凈空高度至少 2.2m 才能滿足管底人員通行的需求。切斷閥和放凈閥等閥組最好在裙座附近布置，便于操作檢修。

2.2 空冷器

空氣冷卻器，簡(jiǎn)稱空冷器，主要用于使工藝物料的較高溫度利用空氣作為冷卻劑，降至工藝所需的溫度，是化工裝置中一種常見的設(shè)備。根據(jù)冷卻原理，空冷器主要?jiǎng)澐譃楦墒娇绽淦骱蜐袷娇绽淦鞲墒娇绽淦髯鳛榛A(chǔ)，濕式空冷器是用噴淋或霧化加強(qiáng)冷卻效果，但容易導(dǎo)致設(shè)備腐蝕，縮短其使用壽命，因此該空冷器在化工企業(yè)并不常用。本文中所提的空冷器主要指干式空冷器，相較于濕式空冷器，干式空冷器操作便捷、節(jié)省能耗、更加環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在化工行業(yè)中應(yīng)用廣泛[2]

2.2.1空冷器的平面布置

體積較大的空冷器常布置在管廊或框架上方等裝置內(nèi)高點(diǎn)2，在管廊上時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃空冷器周圍設(shè)備、構(gòu)筑物等布置，避免影響設(shè)備吊裝方案。此外，空冷器年最小風(fēng)瀕上風(fēng)側(cè) 20～25m 范圍應(yīng)避免設(shè)有溫度高于空冷器的裝置、建筑物等2，避免影響空冷器通風(fēng)，上風(fēng)向宜安裝低溫流體空冷器。

多臺(tái)空冷器應(yīng)無空隙地布置，若不能同時(shí)布置其安裝高度應(yīng)一致；斜頂式空冷器宜成列布置，兩排之間至少預(yù)留 3m 空間設(shè)置隔風(fēng)鋼平臺(tái)，設(shè)備通風(fēng)面避開夏季主導(dǎo)風(fēng)向；不同類型的空冷器不能同時(shí)布置，否則空冷器的管束或風(fēng)扇必須平齊[22]。除非設(shè)有不可燃的隔板，否則空冷器下方不能設(shè)置操作溫度不小于250 C 的可燃液體設(shè)備或輸送、儲(chǔ)存液化烴的設(shè)備；空冷器上風(fēng)向設(shè)置隔離網(wǎng)防正設(shè)備老化及著火；空冷器與其他設(shè)備、建筑物等間距遵循《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的相關(guān)要求[23]。

2.2.2空冷器的管道布置

空冷器管道采用對(duì)稱布置，使各管道流量分配均勻，各主管在分支前必須有用于流量均分的直管段。空冷器進(jìn)口管道不宜在空冷器上方布置，出口分支管道可以直接匯入主管，無需變徑[2]。

并聯(lián)管道中，通常為“一條主管、多個(gè)分支”的形式，為了使流量均布且防止發(fā)生偏流，管道宜對(duì)稱布置[24-25]。在空間受限的情況下，采用集合管使管道流量均分，集合管與分支管的管徑平方總和之比為1.5。較大體積空冷器宜運(yùn)用數(shù)值模擬軟件布置管道并對(duì)偏流情況進(jìn)行校核。為了滿足管口受力要求，采用自然補(bǔ)償增加管道柔性，但盡量保證管道長(zhǎng)度短、附件少[26]。氣液兩相流配管要避免出現(xiàn)袋形?？绽淦鞴艿啦贾眯柽M(jìn)行應(yīng)力核算，避免熱膨脹引發(fā)事故。

2.3 管殼式換熱器

換熱器是使溫度不同的流體間傳熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用在化工行業(yè)。換熱器根據(jù)物料傳熱方式，主要?jiǎng)澐譃橹苯觽鳠崤c間接傳熱，利用設(shè)備間壁將不同溫度的流體分隔傳熱為間接傳熱，在設(shè)備內(nèi)兩種不同溫度的流體接觸傳熱為直接傳熱。根據(jù)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作條件，換熱器劃分為管殼式換熱器、管箱式換熱器、套管式換熱器和板式換熱器[27。

管殼式換熱器由設(shè)備殼體、折流板、管板等構(gòu)成，是化工行業(yè)中最常見的換熱器。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同，管殼式換熱器可分為浮頭式管殼式換熱器固定管板式管殼式換熱器和U型管式管殼式換熱器管殼式換熱器憑借耐高溫高壓、適用性強(qiáng)、易清洗等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用。

2.3.1 管殼式換熱器的平面布置

管殼式換熱器的固定端最好靠近檢修通道布置，便于設(shè)備吊裝及管束的抽芯維護(hù)。在靠近設(shè)備封頭處設(shè)置專門的檢修空間，防止設(shè)備檢修時(shí)由于放在鋼結(jié)構(gòu)上的頭蓋荷載過大造成結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。管殼式換熱器與其他設(shè)備的凈距至少 0.8m ，要符合管道的經(jīng)濟(jì)性、靈活性、工藝要求以及操作維修的要求[27-28]。例如，立式管殼式換熱器放在與其相關(guān)的反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)框架內(nèi)，并預(yù)留抽芯空間。除非用不燃的封閉式無泄漏樓板隔開，否則操作溫度不小于物質(zhì)的自燃點(diǎn)，或大于250 C 管殼式換熱器的上（下）方不能放置承載可燃介質(zhì)的設(shè)備。當(dāng)換熱器布置于無泄漏平臺(tái)上，每 100m² 需至少設(shè)置1個(gè)含油污水地漏，地漏上表面與平臺(tái)上表面平齊，便于地面含油污水或初期雨水的收集2]。操作溫度高于物料自燃點(diǎn)的換熱器與低于自燃點(diǎn)的甲B類及乙A類可燃液體或甲類可燃?xì)怏w設(shè)備凈距至少 4.5m ，與低于自燃點(diǎn)的液化烴設(shè)備凈距至少 7.5m^[29] 。管殼式換熱器以設(shè)備基礎(chǔ)或管口的中心對(duì)齊布置于地面，以設(shè)備基礎(chǔ)的中心對(duì)齊布置于結(jié)構(gòu)框架上2。可以疊放的2臺(tái)管殼式換熱器的直徑均不大于 1.6m 。浮頭式管殼換熱器的四周應(yīng)預(yù)留出操作檢修空間，浮頭及管箱的兩邊預(yù)留至少 0.8m ，前部應(yīng)預(yù)留至少1.5m，還需根據(jù)抽芯空間以及設(shè)備吊裝方案調(diào)整預(yù)留空間。

設(shè)計(jì)換熱器鞍座的基礎(chǔ)時(shí)，需要考慮其是否會(huì)影響設(shè)備底部管口。管殼式換熱器標(biāo)高的確定需滿足其下方管道或放凈的凈空高度至少 150mm 。采用泵抽出的管殼式換熱器，其標(biāo)高應(yīng)比泵的必需汽蝕余量大。若設(shè)備底出料送至管殼式換熱器，則換熱器布置在該設(shè)備下部。疊放的管殼式換熱器組標(biāo)高由設(shè)備間配管方案確定。

2.3.2 管殼式換熱器的管道布置

管殼式換熱器的配管除了要考慮工藝要求以外，還要考慮冷熱流體走向，要便于操作檢修，避免影響操作通道。換熱器周圍的儀表和閥門靠近操作通道布置，便于觀測(cè)、檢修，必要時(shí)可增設(shè)操作平臺(tái)[28]。

管殼式換熱器與其他設(shè)備連接的管道布置應(yīng)“步步高”或“步步低”，保證足夠的抽芯空間，避免設(shè)備軸線正上方布置管道2；管道設(shè)計(jì)要避免交錯(cuò)、繞路，應(yīng)與相鄰管廊或管道相協(xié)調(diào)，架空布管的層數(shù)盡量少。與管殼式換熱器相連的易凝物料管或會(huì)通過固態(tài)粉粒的管道的旁路，需在水平管道上設(shè)置切斷閥，并預(yù)防產(chǎn)生積液28。在寒冷地區(qū)，露天布置的管殼式換熱器的進(jìn)水管道需要設(shè)置連通管，防止管道內(nèi)水凝固，并且在低點(diǎn)設(shè)置放凈。管道的管徑及保溫厚度隨著工藝裝置規(guī)模的擴(kuò)大而增加，在確認(rèn)換熱器廠家的供貨資料時(shí)，需要著重核實(shí)設(shè)備底部管嘴與基礎(chǔ)的間距，防止空間過小導(dǎo)致二者發(fā)生碰撞或管嘴緊固件無法拆卸。管殼式換熱器底部管口直連閥門再接管道，要在管道低點(diǎn)設(shè)置放凈；若底部管口連接豎直管上設(shè)有閥門，則閥門與管口之間的直管段上設(shè)放凈。

3結(jié)論

化工裝置的設(shè)備布置及配管設(shè)計(jì)需要考慮許多影響因素，既要在經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上保持美觀性，符合工藝要求，遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足操作、維修的要求，還要優(yōu)化和統(tǒng)籌土建、電氣、電信、給排水等專業(yè)的條件進(jìn)行管道設(shè)計(jì)[30。因此，負(fù)責(zé)設(shè)備布置的管道設(shè)計(jì)人員在工作過程中，要不斷總結(jié)歸納設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷地學(xué)習(xí)鉆研，持續(xù)優(yōu)化化工裝置的設(shè)備布置及配管，使工藝裝置生產(chǎn)更安全、高效地運(yùn)行。

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Equipment Layout and Piping Design of Chemical Plant

ZHAO Nan (LiaoningProvincePetrole-ChemicalIdustryPlaningDesigningIstiuteCoLtd.，henyangLaoingCina）

Abstract:Thechemicalindustryis themaindrivingforceforthedevelopmentofthenationaleconomy，andeficientandasoable chemical designis tekeytothesafe productionofchemical.Equipment layout and pipelie design，askeycomponentsofchemical design，ust folowthirdesignprciples.Iaddition，theesign pointsoftypicalqupment (towers，olers，eatexchangersare summarized to provide a reference for the equipment and pipeline layout of similar plants.

Key words: Chemical plant; Equipment layout; Piping design