秦華麗

（西北投化工規(guī)劃設(shè)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(shè)備，用于各種分離、反應(yīng)和提取過程。這些塔狀設(shè)備以其不可或缺的功能，為多個行業(yè)提供了關(guān)鍵的工藝生產(chǎn)方案，從石油煉制到化學(xué)制藥，涵蓋了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。①化工裝置塔在分離過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們用于將復(fù)雜的混合物中的不同成分分離出來，確保最終產(chǎn)品的純度和質(zhì)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(chǎn)出各種燃料和石化產(chǎn)品。在化學(xué)制藥領(lǐng)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(xué)反應(yīng)中具有重要地位。許多化學(xué)反應(yīng)需要在特定的溫度和壓力條件下進(jìn)行，而塔狀設(shè)備可以提供這些必要的反應(yīng)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(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)出氨氣。這種反應(yīng)需要適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟?，而塔的設(shè)計可以確保這些條件得以維持，從而提高了反應(yīng)效率和產(chǎn)量。③化工裝置塔在提取和濃縮過程中發(fā)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(chǎn)品。這些塔狀設(shè)備通過蒸發(fā)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(zhì)量的終端產(chǎn)品。此外，化工裝置塔在資源利用和環(huán)境保護(hù)方面也具有重要意義。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和操作，塔可以幫助降低能源消耗、減少廢物產(chǎn)生和排放，從而提高了工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。這種可持續(xù)性不僅有助于保護(hù)環(huán)境，還有助于降低生產(chǎn)成本，提高競爭力。最后，化工裝置塔的重要性還表現(xiàn)在其多功能性和靈活性上。它們可以根據(jù)不同的工藝需求進(jìn)行定制設(shè)計，適用于各種規(guī)模和復(fù)雜度的生產(chǎn)過程。這種靈活性使得化工裝置塔成為適應(yīng)不同產(chǎn)業(yè)和市場需求的理想選擇，為創(chuàng)新和工業(yè)發(fā)展提供了有力支持。由此可見，化工裝置塔在現(xiàn)代工業(yè)中不僅僅是設(shè)備，更是生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵驅(qū)動力。它們在分離、反應(yīng)、提取和濃縮等多個方面發(fā)揮著不可替代的作用。因此，對于涉及化學(xué)工藝的行業(yè)，深刻理解化工裝置塔的重要性至關(guān)重要。

2 塔的管道布置設(shè)計要點

塔的管道布置設(shè)計在化工裝置中具有至關(guān)重要的作用，正確的管道布置可以確保生產(chǎn)過程的高效性、安全性和可維護(hù)性。

2.1 塔頂管道設(shè)計

塔頂管道是連接塔體與其他設(shè)備或系統(tǒng)的關(guān)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(shè)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(zhì)允許向大氣排放時，放空口不得朝向鄰近設(shè)備或有人通過的地區(qū)。

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

（3）安全閥后面的管道布置應(yīng)使排放不會積液，確保安全閥可在平臺上進(jìn)行維修。

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

2.2 塔體側(cè)面管道設(shè)計

塔體側(cè)面管道包括回流、進(jìn)料、側(cè)線抽出、汽提蒸汽、重沸器入口和返回管道等。在設(shè)計這些管道時，需要考慮以下因素。

（1）閥門的位置應(yīng)考慮到塔體管口的連接，以減少泄漏風(fēng)險。

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

（3）對于分餾塔側(cè)線到汽提塔的管道，調(diào)節(jié)閥的安裝位置應(yīng)靠近汽提塔，以確保有足夠的液柱。

2.3 塔底管道設(shè)計

塔底的管道設(shè)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(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求，以適應(yīng)高溫環(huán)境。

（2）塔底抽出管道和泵的連接應(yīng)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(yīng)盡量靠近塔體，并便于操作。

（4）抽出管道應(yīng)引至塔裙或底座外，塔裙內(nèi)不得設(shè)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(shè)計

每根沿塔布置的管道，需要在重心上部設(shè)承重支架，并在適當(dāng)位置設(shè)導(dǎo)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(shè)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(yīng)當(dāng)考慮到美觀和易于維護(hù)的因素，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5 特殊要求的管道設(shè)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(yīng)特別注意焊接的質(zhì)量和工藝，焊接的可靠性對于設(shè)備的長期穩(wěn)定運行至關(guān)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(hù)和檢修附件而設(shè)置的關(guān)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(huán)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(yīng)為1 000 mm。平臺的高度應(yīng)根據(jù)具體需求而定。

3.2 防護(hù)欄桿

在平臺和其他高處的位置，防護(hù)欄桿是必不可少的。欄桿的高度通常設(shè)置為1.2 m，以確保工作人員的安全。特別是在平臺的進(jìn)出口處，應(yīng)設(shè)置自動復(fù)位欄桿，以防止意外墜落事故。此外，對于聯(lián)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(shè)備的關(guān)鍵入口。它們的設(shè)置位置和高度需要經(jīng)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(shè)計和尺寸應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，以確保工作人員能夠安全進(jìn)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(shè)施。梯子布置應(yīng)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(yīng)設(shè)安全護(hù)籠。

（2）塔平臺直梯應(yīng)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(yīng)不高于5 m，否則應(yīng)設(shè)中間休息平臺。

3.5 操作和維修設(shè)備

操作和維修設(shè)備附件包括操作閥門、維修閥門、液面調(diào)節(jié)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(shè)備維護(hù)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(hù)。

3.6 液位計

液位計是用于監(jiān)測塔內(nèi)液位的重要儀表。它們的布置位置需要經(jīng)過仔細(xì)選擇，以確保準(zhǔn)確的液位測量。通常情況下，液位計應(yīng)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(zhǔn)確性。兩個低溫液位計不要靠在一起，防止“冷橋”產(chǎn)生和結(jié)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(shè)計和布置是確保管道系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和可維護(hù)性的關(guān)鍵因素之一。正確的支架安裝可以減少管道受力、振動和應(yīng)力，延長設(shè)備壽命，降低維護(hù)成本。首先是承重支架和導(dǎo)向支架的設(shè)置，從塔頂部出來的管道或側(cè)線進(jìn)出口的管道，應(yīng)以靠近管口處的第一個支架為承重支架。如果需要再設(shè)第二個承重支架，應(yīng)為彈簧支吊架。一般在承重支架之下，按規(guī)定的間距設(shè)置導(dǎo)向支架，如表1所示。這有助于管道的穩(wěn)定和防止受力過大。對于支架的順序和類型而言，設(shè)置支架的順序應(yīng)自上而下為固定支架、導(dǎo)向支架、彈簧支架。豎管上最后一個導(dǎo)向支架距離水平管道應(yīng)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(yīng)考慮在水平管段上設(shè)置彈簧支架，而在熱位移不大的情況下，可以選擇設(shè)置導(dǎo)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(shè)支架，這有助于支撐和穩(wěn)定閥門，減少其受力和振動。支架的設(shè)置應(yīng)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(jù)管道環(huán)境和流體特性來選擇。對于外部暴露在惡劣環(huán)境中的支架，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆栏幚?，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(wěn)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(hù)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(yīng)根據(jù)溫度差異、管道材料和直徑等因素進(jìn)行合理設(shè)計。

表1 塔器上的垂直管道的導(dǎo)向支架間最大間距H

5 塔的管道布置設(shè)計常見問題

在化工裝置中，塔的管道布置設(shè)計至關(guān)重要，但在實際工程中，常常出現(xiàn)一些常見問題，需要及時糾正以確保設(shè)備的運行效率、安全性和可維護(hù)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(dǎo)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(shè)置足夠吸收補償相對伸長量的長度，通常使用伸縮節(jié)、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(dǎo)致閥門運行不暢。

糾正方法：將閥門設(shè)計在塔設(shè)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(shè)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(dǎo)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(fēng)險。在可能積液的位置設(shè)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(cè)，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(shè)備的檢修。

糾正方法：重新設(shè)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(guān)閥門

問題描述：人員站在梯子上開關(guān)閥門，存在安全風(fēng)險。

糾正方法：設(shè)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(shè)備底部連接管線未考慮熱脹

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

糾正方法：宜設(shè)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(yīng)力。

5.9 塔回流線溫差較大導(dǎo)致支架垂直位移

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

糾正方法：在水平管段上的第一個支架應(yīng)設(shè)彈簧支架，或者在足夠長的距離上設(shè)置導(dǎo)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(jié)論

對化工裝置塔管道布置及設(shè)計的探討有助于化工工程設(shè)計師更好地理解和應(yīng)對化工裝置塔管道的布置及設(shè)計。在設(shè)計過程中，需認(rèn)識到塔設(shè)備、塔管道及附件的重要性，始終把人員和設(shè)備的安全性置于首位，在安全的前提下保障正常生產(chǎn)。通過對塔設(shè)備管道及附件的合理設(shè)計和布置，可以提高生產(chǎn)效率、確保生產(chǎn)工藝流程的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，只有這樣，才能確?；ぱb置塔及其相關(guān)系統(tǒng)能長期安全、有效、經(jīng)濟(jì)地運行，從而為化工工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。