化工工程中设备及管道布置的技术研究

引言

在化工工程领域，设备布置和管道材料的选择对于整个工厂的运行效率、安全性和经济性具有决定性的影响。本文旨在探讨如何通过优化设备布局和管道材料的选择，提高化工工程的整体性能。

一、化工工程概述

1.1 设备和管道的作用

在化工工程中，设备与管道是保障生产正常运转的核心要素。化工设备种类繁多，反应设备用于实现各类化学反应，如合成氨装置中的合成塔，通过高温高压条件促使氮气与氢气发生反应生成氨。分离设备则用于混合物的分离提纯，精馏塔利用物质沸点差异，将不同组分分离，获取高纯度产品。换热设备实现热量交换，确保反应在适宜温度下进行。

1.2 设备和管道布置的重要性

合理的设备和管道布置对化工工程至关重要。从安全角度看，科学布置能有效减少安全隐患，如保持设备间安全间距，可避免火灾、爆炸等事故的蔓延；对危险介质管道进行隔离和防护，防止有毒有害物质泄漏。在生产效率方面，优化布置能缩短物料传输路径，减少能耗，使工艺流程更加顺畅，提高设备利用率和生产效率。

1.3 设备布置原则和技术

化工设备布置主要遵循工艺优先原则、安全环保原则、操作与维护便利原则，工艺优先是指严格按照工艺流程方向布置设备，便于物料的输送与流动，尽量减少迂回和交叉，例如将反应设备、分离设备、储设备进行依次排列。安全环保原则是指在设备布置时需符合防火、防爆、防毒的要求，为满足人员和设备的安全操作及安全防护设施的要求，将安全通道或设置于易燃、易爆设备的旁边，将其置于周边区域，并设置防火墙以及喷淋装置；操作与维护的便利性，主要指在设备布置时需为其作业、检修等预留检修、维护及操作空间，便于操作人员的操作以及设备的安装、拆除、检修、拆卸。

二、化工工程中设备及管道布置的重要性

2.1 保障生产安全运行

化工生产过程中，设备及管道的布置对整个化工生产安全具有决定性影响。化工生产中，常使用易燃、易爆、有毒有害等危险化学品，科学合理的布置可以避免重大安全事故的发生。合理布置设备之间的间距，就可以避免火灾、爆炸等事故的扩大和进一步发展，例如将易燃易爆设备与其他设备进行足够的隔离距离，设置防火墙等隔离设施。输送危险介质的管道进行合理的布置和隔离防护，使输送介质管道选用特殊材料或使用泄漏报警装置，可以防止有毒、有害介质泄漏发生，保障工作人员的生命安全以及环境安全。科学合理的进行设备和管道的布置，还可以对逃生通道、应急设备进行合理安排，在突发事故发生后，可以让工作人员及时逃离危险地带，救援工作及时高效展开，在一定程度上减少事故造成的损失，保障化工生产运行稳定。

2.2 提升生产效率与质量

合理进行机械设备与管道的布局，是进行化工生产管理、提高化工产品的质量和生产效率的重要手段。在化工管道设备布设过程中，设备应按照物料传质路径合理排序，降低物料传送过程中的绕行、交错距离，降低能耗，缩短物料传送距离。另外，例如将反应器、分离器、储罐等设备依据工艺流程依次排列在一起，方便物料沿流通过，缩短生产时间。设备与管道布设合理有助于生产设备联动合作，方便实现机械化生产、连续生产，减少人员干涉，提高生产效率；便于机械操作，充分保障化工产品质量。

2.3 降低工程建设与运营成本

机械设备和管道安装的布置，将会影响到化工工程的建设成本。在化工工程项目建设过程中，做好合理的布置工作将能够使得设备和管道的布置合理化，减少材料浪费和施工难度，从而可以节约建设成本。合理的管道布置，能够减少管线弯头、管线管件材料的使用，减少材料的采购成本。合理的设备基础，避免了由于设备布局不合理需要进行基础加固、改造的费用。在工程的运行过程中，合理的布置能够方便设备的日常使用、检修，减少维保人员的工作强度以及时间成本。

三、化工工程中设备及管道布置存在的问题

3.1 工艺流程适配性不足

化工生产过程中较为常见的问题是设备与管道布置不适应生产工艺流程的需要，在设计规划过程中设计人员对该工艺流程的特殊性没有深入了解，设备布置与物料流程运行方向不一致。在某些精细化工生产过程中由于没有考虑到生产中对反应物加入顺序以及物料加入速率的特殊需要，设备布置没有严格按照工艺流程顺序进行，在传流过程中造成物料反复转弯、交叉，在物料的流通过程中浪费动力，延长工艺流程，生产效率低下。

3.2 安全隐患突出

化工工程施工中对设备及管线的布置存在较大隐患，设备间距过小，部分老旧的化工生产厂由于在早期的规划上缺乏前瞻性的设计理念，后期生产装置设施由于面积增大，新增加设备和装置设施时设备间距过小，当发生火灾爆炸等事故时易造成事故的连锁反应，事故波及迅速。管线在布置时，部分输送易燃易爆有毒有害介质的管线未根据相关规范进行隔离与防护措施，如未设置防火堤、泄漏检测设备，或者部分管线在穿过人员活动频繁的地方未有有效的防护等，泄放隐患比较大。

3.3 空间利用与操作维护不便

目前，化工工程设备与管道分布不合理，占地面积大，人员操作与设备维护不够方便。有些工程设备安装密度较大，设备排布过于靠近，以实现用地面积节约，但是忽略了对设备人员的操作空间与设备操作空间，导致了操作人员有限的空间，使其在操作或巡检、维修时行动不便。造成操作人员加大了工作强度，不利于设备的操作与更换。

3.4 技术标准与规范落实不到位

化工行业中虽有相应的设备以及管道布置的技术标准和规范，但具体到实际工程时，并没有能将标准规范落实到位的情况时有发生。部分企业为牟取经济利益，违背工程建设实际，随意将标准降低，将工程布置程序简单化，比如没有按技术标准规范要求进行设备基础设计和管道应力分析计算，使得设备运行不正常、管道易产生疲劳破坏；有些设计单位和施工单位在技术标准的理解上还不够到位、执行还不严格，比如对设备、管道选型不按照安全等级来，对管道连接的焊接等不按照技术标准规范的流程进行等，为管道质量留下了安全隐患。化工行业所涉及的新工艺以及新设备层出不穷，但化工技术标准和规范往往滞后于新技术以及新设备的涌现，为设备及管道的布置带来了一定程度上的不确定性和风险。

四、化工工程中设备及管道布置的技术研究

4.1 设备选型与布置技术

化工设备的选型和布置直接决定着化工生产的质量和安全。化工设备选型必须根据化工生产的生产工艺需要，选择合理的参数。高温高压反应工艺过程中的反应釜的制备应选用耐高温、高压、耐腐蚀的材质制造，反应釜的选用应根据反应物料的性质和产量大小来确定设备的大小和搅拌形式，而化工分离工艺的选用应根据混合物的组分差异来选择不同的分离方法，精馏塔、离心分离设备等。化工设备布置中设备的布置应遵循化工生产工艺的顺序原则，依次按照物料走向布置，在流程走向上需要尽可能简化距离和能耗。在工艺允许的情况下，要便于操作和检修，在预留充足操作和检修的空间的同时，为安全操作和检修提供合适的检修道路。

4.2 管道走向规划与连接技术

管道的合理布置与连接工艺对化工物料的高效输送至关重要，布置合理的管道走向会更加有利于化工物料输送，并且保证输送介质的连续性，所以在进行化工管道布置设计时，设计合理管道走向，要综合考虑化工生产中工艺的走向、地形地貌以及建筑物分布情况等因素，尽可能使管道直走，尽量少设弯头，降低输送介质的损失和阻力等；在输送粘性大的物料时，要设计管道的合理坡度，防止介质在管道中的积聚而被堵住；在输送高温或低温介质时，要充分考虑管道的温度变化对化工管道走向的影响，避免高温环境引起化工管道弯曲变形或低温环境引起化工管道受热膨胀变形而损坏管道的现象产生；根据输送介质的不同，选择管道的材质、压力等级及输送的介质对选择合理的管道连接工艺有很大影响，化工管道的连接工艺合理与否直接关系到化工物料输送的通畅性，所以要考虑输送介质的输送压力、性质、温度以及压力等级等因素，管道压力等级低的压力管道可以选择焊接进行连接，同时要做好相应的探伤工作，对于输送易燃易爆、有毒有害介质的管道要采取焊接连接密封性强的方法进行连接；对于法兰连接应选用合适的垫片与螺栓，确保化学管道连接的密封性，防止输送介质的泄漏。

4.3 应力分析与补偿技术

管道应力由于化工管道输送的化工产品会由于外界温度压力变化，出现应力，如果处理不合理，就会引发管道破裂泄露，因此应力计算主要是通过有限元分析，模拟管道的不同时段的不同工况受力，分析管道应力和变形分布情况，为设计、优化提供依据，对于高温输送管道来说，应力就是管道热膨胀产生的轴向应力和弯曲应力，是否会导致管道材料应力超限，应力补偿，是减缓应力影响的主要手段，主要形式有自然补偿和设置补偿器等方式。自然补偿就是管道自身弯曲形状补偿热膨胀量，在管道系统中，一般应用较少，对于高温管道补偿量较大，位移偏移较大，管道直径尺寸也要求较大。常用的管道补偿器形式有波形补偿器、填料式补偿器、球形补偿器及方形补偿器等。补偿器类型的选取需要根据管道参数和工况等条件确定，以及补偿器的规格和选择安装位置。设置不同的补偿器型式能够补偿一定的位移，保证管道系统的安全平稳运行，从而延长管道系统的使用年限。

4.4 数字化与智能化布置技术

数字化、智能化方法改造化工设备及管道布置。BIM 技术构造设备和管道的三维模型，可视化设计布置设备和管道、进行碰撞检查和施工模拟。在设计布置中，能够通过模型直观展示设计方案，迅速识别设备和管道、管道和建构筑物的冲突，进行设备和管道的布置；利用施工模拟进行施工方案的合理安排，组织施工顺序，合理确定施工进度，使错误和返工的概率降至最低。数字孪生技术能够构建和物理实体相对的数字化模型，实时收集设备和管道的运行数据，进行数字化的模拟运行状态，预判设备和管道的故障危险，进行主动式维护。智能化布置软件具有大数据分析技术，在收集大量过去工程经验数据以及工艺流程设计要求下，可以自动生成多个布置方案，然后通过算法分析不同方案优劣，辅助设备和管道的布置决策，设计人员进行科学判断和决策，提高设计质量和布置效率，促使化工工程发展到数字化和智能化、精细化。

五、化工工程中设备及管道布置的优化措施

5.1 优化布置流程与协同设计

流程优化和协同设计开展。要开展化工工程设备和管道布置的流程化和协同设计。在流程化设计方面，要构建从工艺流程需求分析、主要设备选型到布置初步设计，再到布置初步方案评审修改的流程。要借助项目管理软件，对流程的设计节点进行管理控制，保证在流程节点的设计时间节点，实现设计的质量管控。在协同设计方面，要开展设计的专业协同。要构建化工工程设备和管道布置中工艺、设备、管道、建建、电气等专业设计的协同设计，要借助协同设计的平台，对各专业的设计人员的资料共享、协同设计，以此实现化工工程工艺、设备和管道布置设计中的“各说各话”信息交流不畅，确保设计中实现管道和设备布置设计方案的一致性。

5.2 创新布置方法与技术应用

改变布置设计方法、采用新的技术手段是化工工程设备及管道的布置升级的手段之一。积极采用模块化布置手段，对于功能相关的设备、管道和附属设施进行集成设计，形成标准模块，便于工厂建设阶段的快速安装和调试，也便于设备和管道及附属设施后期的更换和维护，比如在 LNG 接收站建设中进行模块化布置，能够大大加快建设进程。积极推广数字化技术、智能化技术应用，拓展 BIM 技术在布置设计中的应用，依托虚拟现实（VR）功能让布置设计人员和安装人员能够身临其境感觉布置结果，提前预见存在的问题。运用人工智能的算法，对大量的历史布置数据进行学习，为新工程提供智能化设计方案，并通过模拟各种运行工况的运行状态，自动对布置参数进行优化，做到从经验设计到大数据设计的转变。

5.3 强化安全保障措施

强化安全保障措施是化工工程设备及管道布置的重中之重。严格执行安全规范标准，在设计阶段建立双重安全审查机制，不仅要对设计图纸进行内部审核，还需邀请第三方安全专家进行评估，确保设备间距、管道防护等设计符合《化工企业安全卫生设计规范》等要求。增加智能化安全防护设施投入，在危险区域安装泄漏监测传感器、火焰探测器、有毒气体报警器等设备，并与自动控制系统联动，一旦发生异常，立即报警并启动应急处置程序，如自动切断物料输送阀门、启动喷淋系统。

5.4 完善技术标准与人才培养

完善技术标准与加强人才培养为化工工程设备及管道布置提供长期发展动力。行业协会与相关部门应结合新技术、新工艺的发展，及时修订和完善设备及管道布置的技术标准，明确新型设备、特殊介质管道的布置要求，填补标准空白。同时，建立标准动态更新机制，定期收集行业反馈，确保标准的时效性与适用性。在人才培养方面，高校化工相关专业应优化课程设置，增加设备及管道布置的实践课程，培养学生的设计能力与工程思维。企业要加强内部培训，邀请行业专家开展专题讲座，组织员工参与技术交流与培训活动，提升员工对先进布置技术和标准规范的掌握程度。

结语

化工工程设备及管道布置技术研究是保障化工生产安全高效的关键。通过优化布置流程、创新技术应用、强化安全保障、完善标准与人才培养，可有效解决现存问题，提升布置科学性与合理性。随着数字化、智能化技术的深入发展，化工工程设备及管道布置技术将持续创新，为化工行业高质量发展注入新动能。

参考文献

[1]卞学吉.化工工程中设备及管道布置技术研究[J].石化技术,2024,31(04):147-148+71.

[2]吴多鹏.化工机电设备安