化工裝置塔管道的布置及設計

秦華麗

（西北投化工規劃設計院有限公司，廣西 南寧 530003）

1 化工裝置塔的重要性

化工裝置塔是化工工藝中的核心設備，用于各種分離、反應和提取過程。這些塔狀設備以其不可或缺的功能，為多個行業提供了關鍵的工藝生產方案，從石油煉制到化學制藥，涵蓋了廣泛的應用領域。①化工裝置塔在分離過程中發揮著關鍵作用。它們用于將復雜的混合物中的不同成分分離出來，確保最終產品的純度和質量。如在石油煉制中，蒸餾塔用于將原油分解為不同碳鏈長度的烴類，從而生產出各種燃料和石化產品。在化學制藥領域，吸收塔和萃取塔用于從混合物中提取出所需的活性成分，確保藥品的高純度和藥效。②化工裝置塔在化學反應中具有重要地位。許多化學反應需要在特定的溫度和壓力條件下進行，而塔狀設備可以提供這些必要的反應條件。如在氨合成過程中，氣體混合物在催化劑的作用下在氨合成塔中發生反應，生產出氨氣。這種反應需要適當的壓力和溫度，而塔的設計可以確保這些條件得以維持，從而提高了反應效率和產量。③化工裝置塔在提取和濃縮過程中發揮著重要作用。如蒸餾塔用于分離和濃縮酒精和其他液體產品。這些塔狀設備通過蒸發和冷凝過程將所需的組分從混合物中分離出來，從而獲得高質量的終端產品。此外，化工裝置塔在資源利用和環境保護方面也具有重要意義。通過適當的設計和操作，塔可以幫助降低能源消耗、減少廢物產生和排放，從而提高了工業生產的可持續性。這種可持續性不僅有助于保護環境，還有助于降低生產成本，提高競爭力。最后，化工裝置塔的重要性還表現在其多功能性和靈活性上。它們可以根據不同的工藝需求進行定制設計，適用于各種規模和復雜度的生產過程。這種靈活性使得化工裝置塔成為適應不同產業和市場需求的理想選擇，為創新和工業發展提供了有力支持。由此可見，化工裝置塔在現代工業中不僅僅是設備，更是生產過程中的關鍵驅動力。它們在分離、反應、提取和濃縮等多個方面發揮著不可替代的作用。因此，對于涉及化學工藝的行業，深刻理解化工裝置塔的重要性至關重要。

2 塔的管道布置設計要點

塔的管道布置設計在化工裝置中具有至關重要的作用，正確的管道布置可以確保生產過程的高效性、安全性和可維護性。

2.1 塔頂管道設計

塔頂管道是連接塔體與其他設備或系統的關鍵通道。通常，塔頂包括塔頂油氣、放空和安全閥出口管道。在設計這些管道時，有幾個重要原則需要考慮。

（1）安全泄壓裝置的出口介質允許向大氣排放時，放空口不得朝向鄰近設備或有人通過的地區。

（2）塔頂放空管道應安裝在塔頂油氣管道最高處的水平管段的頂部，并應符合防火規范的要求。

（3）安全閥后面的管道布置應使排放不會積液，確保安全閥可在平臺上進行維修。

（4）當排入放空總管或去火炬總管的介質帶有凝液時，安全閥的出口應高于總管，或者應采取排液措施，以確保排放處不積液。

2.2 塔體側面管道設計

塔體側面管道包括回流、進料、側線抽出、汽提蒸汽、重沸器入口和返回管道等。在設計這些管道時，需要考慮以下因素。

（1）閥門的位置應考慮到塔體管口的連接，以減少泄漏風險。

（2）多個進（出）料開口時，管道應具有一定的柔性，以便適應不同角度的進出口。

（3）對于分餾塔側線到汽提塔的管道，調節閥的安裝位置應靠近汽提塔，以確保有足夠的液柱。

2.3 塔底管道設計

塔底的管道設計一般涉及操作溫度較高的情況，因此需要特別注意以下要點。

（1）管道的柔性應滿足相關標準或規范的要求，以適應高溫環境。

（2）塔底抽出管道和泵的連接應簡短且少拐彎，以減少泵管口受力。

（3）抽出管道上的隔斷閥應盡量靠近塔體，并便于操作。

（4）抽出管道應引至塔裙或底座外，塔裙內不得設置法蘭或儀表接頭等管件，以確保操作的順暢性。

2.4 布置美觀與支架設計

每根沿塔布置的管道，需要在重心上部設承重支架，并在適當位置設導向支架，以免管道受力過大。為了保持管道布置的美觀和易于設置支架，通常將塔的管道和塔的保溫外切線或同圓線成組布置。每組管道的布置應當考慮到美觀和易于維護的因素，以確保設備的穩定性和可靠性。

2.5 特殊要求的管道設計

對于特殊要求的管道，如需要與塔開口直接焊接而不采用法蘭連接的情況，應特別注意焊接的質量和工藝，焊接的可靠性對于設備的長期穩定運行至關重要。

3 塔的附件及布置

3.1 平臺

塔的平臺是為了方便安裝、操作、檢測、維護和檢修附件而設置的關鍵部分。平臺通常位于距離地面一定高度以上，以確保安全和便捷的工作環境。平臺的寬度一般在1 000～1 500 mm，而人孔用平臺的最小寬度應為1 000 mm。平臺的高度應根據具體需求而定。

3.2 防護欄桿

在平臺和其他高處的位置，防護欄桿是必不可少的。欄桿的高度通常設置為1.2 m，以確保工作人員的安全。特別是在平臺的進出口處，應設置自動復位欄桿，以防止意外墜落事故。此外，對于聯合平臺，需要考慮各塔和架之間的熱脹和移動因素，以確保平臺布置合理，不會受到過大的影響。

3.3 人孔

人孔是用于檢修設備的關鍵入口。它們的設置位置和高度需要經過精心考慮，一般情況下，人孔中心線距平臺在600～1 000 mm，最適宜的高度為750 mm。此外，人孔的設計和尺寸應符合相關標準和規范的要求，以確保工作人員能夠安全進入和離開。

3.4 梯子

塔上的梯子一般是直梯，是上下各層平臺及安全逃生的通道，也可作為觀察、操作和維修某些附件的設施。梯子布置應注意如下事項。

（1）直梯寬度一般為0.6 m，超過2 m 高度時應設安全護籠。

（2）塔平臺直梯應自下而上分段錯開布置，保障操作人員的安全。

（3）高度在15 m 及以下時，每段高5～8 m 為宜，超過15 m 時，每段應不高于5 m，否則應設中間休息平臺。

3.5 操作和維修設備

操作和維修設備附件包括操作閥門、維修閥門、液面調節閥、大口徑閥門、檢測儀表和安全閥等。它們的布置需要考慮到操作人員的便捷性和設備維護的容易性。這些附件通常布置在平臺上，以確保工作人員能夠輕松地操作和維護。

3.6 液位計

液位計是用于監測塔內液位的重要儀表。它們的布置位置需要經過仔細選擇，以確保準確的液位測量。通常情況下，液位計應安裝在距離塔底部或塔頂一定距離的位置，以確保測量的準確性。兩個低溫液位計不要靠在一起，防止“冷橋”產生和結霜，如圖1所示。

圖1 低溫液位計的布置

4 塔的管道支架

在化工裝置中，塔的管道支架設計和布置是確保管道系統穩定性、安全性和可維護性的關鍵因素之一。正確的支架安裝可以減少管道受力、振動和應力，延長設備壽命，降低維護成本。首先是承重支架和導向支架的設置，從塔頂部出來的管道或側線進出口的管道，應以靠近管口處的第一個支架為承重支架。如果需要再設第二個承重支架，應為彈簧支吊架。一般在承重支架之下，按規定的間距設置導向支架，如表1所示。這有助于管道的穩定和防止受力過大。對于支架的順序和類型而言，設置支架的順序應自上而下為固定支架、導向支架、彈簧支架。豎管上最后一個導向支架距離水平管道應不小于25倍管道的公稱直徑，以確保管道可以自然補償伸縮。在垂直管段的熱位移量較大時，應考慮在水平管段上設置彈簧支架，而在熱位移不大的情況下，可以選擇設置導向支架。這樣可以平衡管道的受力和伸縮需求。直接與塔管口相連接的大于或等于DN150的閥門下面宜設支架，這有助于支撐和穩定閥門，減少其受力和振動。支架的設置應考慮閥門的重量和工作條件。同時需要選擇合適的支架材料，如碳鋼、不銹鋼或合金鋼，以根據管道環境和流體特性來選擇。對于外部暴露在惡劣環境中的支架，應進行適當的防腐處理，以延長支架的使用壽命。在確定支架的間距時，需要考慮管道的直徑、重量、工作條件及可能的振動。合理的支架間距可以確保管道的穩定性，減少振動傳遞，同時保持管道的自然補償能力。支架之間的間隙也需要考慮，以便維護和檢修。在需要處理熱脹問題的情況下，可以考慮使用彈簧支架。彈簧支架可以吸收管道由于溫度變化引起的伸縮，減少管道受力。彈簧支架的選擇應根據溫度差異、管道材料和直徑等因素進行合理設計。

表1 塔器上的垂直管道的導向支架間最大間距H

5 塔的管道布置設計常見問題

在化工裝置中，塔的管道布置設計至關重要，但在實際工程中，常常出現一些常見問題，需要及時糾正以確保設備的運行效率、安全性和可維護性。

5.1 未考慮溫差引起的伸長問題

問題描述：管道與塔壁之間的溫差較大，導致管道相對伸長，但未考慮這一因素。

糾正方法：為每個支管設置足夠吸收補償相對伸長量的長度，通常使用伸縮節、彈簧支架或補償器。確保這些裝置可以處理管道在不同溫度下的伸縮。

5.2 閥門上部積液問題

問題描述：閥門上部容易積液，可能導致閥門運行不暢。

糾正方法：將閥門設計在塔設備管口的根部，避免上部積液。

5.3 積液管段較多

問題描述：管道布置中存在大量可能積液的管段。

糾正方法：盡量減少可能積液的管段，將閥門、附件等附件安置在設備管口的根部，并確保管道有足夠的坡度以促使液體流動。

5.4 積液堵塞問題

問題描述：積液可能導致管道堵塞，影響流動。

糾正方法：避免水平管段的“袋形”布置，確保流體能夠自由流動，以減少堵塞風險。在可能積液的位置設置排凈及清洗口，以便定期清理。

5.5 消防蒸汽、沖洗水接頭不合理

問題描述：消防蒸汽、沖洗水快速接頭朝向操作者，存在潛在的危險。

糾正方法：重新布置快速接頭，確保其不朝向操作者，并將其位置靠近平臺入口側，以提高操作安全性。使用可拆卸的蓋子來遮擋接頭，以防止誤操作。

5.6 管線覆蓋視鏡、手孔、人孔蓋

問題描述：管線的布置覆蓋了視鏡、手孔和人孔蓋，妨礙了設備的檢修。

糾正方法：重新設計管道布置，確保視鏡、手孔和人孔蓋的上方不被管線遮擋，以便方便檢修。在需要時，考慮將視鏡、手孔和人孔蓋移到管線周圍的其他位置。

5.7 在梯子上開關閥門

問題描述：人員站在梯子上開關閥門，存在安全風險。

糾正方法：設置合適的平臺，以便人員可以安全地操作閥門，而不需要站在梯子上，確保所有操作位置都可以輕松操作。

5.8 設備底部連接管線未考慮熱脹

問題描述：設備底部連接的管線在操作溫度大于安裝溫度時，可能導致管口受力過大。

糾正方法：宜設彈簧管托來解決熱脹引起的管口受力問題，確保管線可以自由伸縮，不會受到不必要的應力。

5.9 塔回流線溫差較大導致支架垂直位移

問題描述：塔回流線由于溫差較大而導致的相對伸長量大，可能使第一個支架發生垂直位移。

糾正方法：在水平管段上的第一個支架應設彈簧支架，或者在足夠長的距離上設置導向管卡來限制支架的垂直位移，確保支架能夠處理溫度差異帶來的伸縮問題。

6 結論

對化工裝置塔管道布置及設計的探討有助于化工工程設計師更好地理解和應對化工裝置塔管道的布置及設計。在設計過程中，需認識到塔設備、塔管道及附件的重要性，始終把人員和設備的安全性置于首位，在安全的前提下保障正常生產。通過對塔設備管道及附件的合理設計和布置，可以提高生產效率、確保生產工藝流程的穩定性、可靠性和安全性，只有這樣，才能確保化工裝置塔及其相關系統能長期安全、有效、經濟地運行，從而為化工工業的可持續發展作出貢獻。