彭寧

惠生工程（中國）有限公司 （上海 201210）

精對苯二甲酸（PTA）是原油的下游產(chǎn)品，以對二甲苯（PX）為原料；PTA是化纖行業(yè)的重要原料，在國內目前主要用于與乙二醇酯化聚合生產(chǎn)聚酯切片、長短滌綸纖維，聚酯用于電影膠片、涂料、油漆及聚酯塑料的生產(chǎn)，有非常重要的市場地位。PTA既是石油的終端產(chǎn)品，也是聚酯等的前端產(chǎn)品。從上述產(chǎn)業(yè)鏈看，PTA上承PX和原油，下接聚酯、滌綸短纖和長絲，是石化和聚酯產(chǎn)業(yè)鏈的分水嶺。

全球PTA生產(chǎn)地長期以來主要集中在日本、北美、歐洲等國家和地區(qū)。隨著世界聚酯生產(chǎn)中心向亞洲轉移，尤其是2010年以后中國聚酯工業(yè)的蓬勃發(fā)展，全球PTA生產(chǎn)格局也發(fā)生了根本性變化，從2020年PTA產(chǎn)能預測分布情況（表1）可以看出，亞洲，尤其是中國，在全球PTA市場中已經(jīng)占據(jù)主導地位。

根據(jù)近年PTA有效產(chǎn)能的平均增速分析，預計2020年全球PTA有效產(chǎn)能將突破1億t/a，近5年來平均增速約為6.7%。而隨著美國等國家經(jīng)濟的復蘇以及歐亞大陸“一帶一路”建設布局的逐步展開，全球PTA需求仍將保持持續(xù)增長態(tài)勢。2017年PTA的消費量約為5900萬t，預計2020年消費量接近7 400萬t，2017—2020年的平均增速為7.6%。需求增速與產(chǎn)能增速的不同步，也從側面說明了淘汰落后產(chǎn)能，提高原有裝置開工率與研發(fā)新工藝、新裝置的迫切性。

1 概述

表1 2020年全球PTA產(chǎn)能預測分布

1.1 PTA生產(chǎn)工藝技術

目前，世界上主要的PTA生產(chǎn)工藝技術廠家有英國石油公司（BP）、美國英威達公司（INVISTA）、日本三井油化公司、意大利DOW-INCA公司、日本三菱化學株式會社（MCC）、伊士曼化學公司、中國臺灣—日本AEC-HITACHI公司、中國昆侖工程有限公司等。各PTA專利廠家在生產(chǎn)原料、主反應過程方面沒有太大的區(qū)別，只是產(chǎn)業(yè)化技術有所不同，主要表現(xiàn)在氧化反應溫度和壓力參數(shù)、PTA結晶、尾氣處理方法、母固分離、母液回收、能量利用等方面。

本研究主要介紹采用英國石油公司工藝專利技術的PTA項目：以PX為原料，以醋酸鈷和醋酸錳為催化劑，以溴化物為助催化劑，在醋酸溶劑中通入空氣進行氧化反應使其生成粗對苯二甲酸（CTA），再將CTA通過加氫反應去除其中所含雜質4-羧基苯甲醛（4-CBA），最后制得高純度的PTA產(chǎn)品。

1.2 PTA生產(chǎn)的火災爆炸危險性

PTA生產(chǎn)所需的主要物料PX、醋酸、氫氣、甲醇、天然氣等均為易燃易爆物質。PX的火災爆炸危險存在于原料配制、氧化反應工序中；醋酸的火災爆炸危險性存在于原料配制、氧化反應、結晶、過濾、干燥、溶劑和催化劑回收等過程，貫穿于CTA單元的整個工藝過程；氫氣的火災爆炸危險存在于制氫、輸氫及加氫反應等過程；甲醇的火災爆炸危險存在于制氫過程中。在氣流輸送、包裝、槽車灌裝、存儲、除塵等生產(chǎn)過程，自始至終都存在著PTA或CTA粉塵發(fā)生爆炸的危險[1]。

鑒于PTA的發(fā)展戰(zhàn)略地位及其生產(chǎn)中客觀存在的危險，總結PTA工廠選址和總圖設計的工程實踐經(jīng)驗顯得尤為重要。

2 PTA工廠組成

按照功能區(qū)劃分，PTA工廠一般主要包括以下區(qū)域。

（1）生產(chǎn)裝置區(qū)：PTA生產(chǎn)裝置。

（2）原料罐區(qū)及裝卸設施：PX儲罐、醋酸及母液儲罐、堿液儲罐、催化劑罐區(qū)及液體裝卸站。

（3）成品儲運區(qū)：PTA倉庫及料倉。

（4）輔助生產(chǎn)區(qū)：鍋爐、脫鹽水站、消防泵站、循環(huán)水場、污水處理、中水回用、空壓站、液氮站、氫壓站等。

（5）廠前區(qū)及生產(chǎn)管理區(qū)：控制室、化驗室、檢維修中心及辦公樓。

3 PTA工廠選址要點

對于PTA項目而言，項目的選址因素眾多，應根據(jù)項目特點并結合廠址周邊情況對眾多選址條件進行對比排查，主要分析對項目選址能夠形成決定性定論的因素。

3.1 安全性

項目選址首先應符合國家、地方政策及法規(guī)的要求，滿足國家、地方及園區(qū)的規(guī)劃要求；其次應遠離大中型城市城區(qū)、社會公共福利設施和居民區(qū)等環(huán)境敏感地區(qū)，與周邊企業(yè)、公路等的距離應滿足安全要求[2]，應在滿足項目安全及環(huán)境評價設立條件的前提下確定與周邊敏感點的間距要求。

3.2 經(jīng)濟性

根據(jù)業(yè)主的戰(zhàn)略發(fā)展需求確定項目的經(jīng)濟指向性，首先應確定項目是指向原料市場、消費市場還是勞動力和技術聚集區(qū)，并確定各因素的敏感程度，從而分析經(jīng)濟性。

運輸條件：PTA項目的主要原料為PX，目前國內大部分PX依賴海運進口，因此良好的碼頭依托條件是廠址選擇著重考慮的因素。PTA成品主要采用汽車運輸，因此產(chǎn)品的運輸距離、外部公路運輸條件、物流成本也是決定廠址的重要經(jīng)濟性因素。

公用工程依托條件：良好的公用工程供應和依托條件可以減少項目建設投資，如廠址所在地周邊的消防設施、水源、電源、天然氣、蒸汽等依托條件。同時，還應結合廠址所在地的“三廢”排放條件、場地平整土石方量、場地處理及建構筑物地基處理成本、施工建設期間的技術和經(jīng)濟條件、是否有居民區(qū)拆遷、人才引進及招工條件等因素進行綜合經(jīng)濟比較來確定廠址的經(jīng)濟合理性。

3.3 技術性

目前國內主流選用的單套PTA裝置生產(chǎn)規(guī)模為220～250萬t/a，根據(jù)以往項目經(jīng)驗，單套裝置項目全廠占地約30萬～40萬m2，2套生產(chǎn)裝置占地約40萬～50萬m2。廠址用地不僅要滿足生產(chǎn)規(guī)模要求，還需規(guī)整，以便于總圖布置實現(xiàn)合理的功能分區(qū)，節(jié)省土地，降低建設和運行成本。

廠區(qū)外部道路應通暢便捷，方便貨物運輸、大件設備運輸、職工通勤和消防通行，道路服務能力能滿足工廠的運輸要求。

此外，還應重點分析工廠附近的鐵路、公路、長輸管線、高壓線等重要設施以及相鄰工廠之間可能產(chǎn)生的交叉污染等因素，這些均可能對工廠的布局形成重大制約。

4 PTA工廠總圖設計要點

4.1 總圖設計使用規(guī)范

目前國內PTA工廠總圖設計采用的主要標準是GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設計防火標準》、GB 50984—2014《石油化工工廠布置設計規(guī)范》以及GB 51205—2016《精對苯二甲酸工廠設計規(guī)范》。同時，還要滿足工藝包專利商的一些技術要求。

4.2 工藝裝置布置

PTA生產(chǎn)裝置由CTA裝置和PTA裝置組成。由于大部分單元內的介質都易燃、易爆，有毒性及特殊的腐蝕性，且化工操作單元有氧化、結晶、過濾、干燥、溶解、加氫、化工液體輸送等，其中氧化反應溫度為180℃、壓力為1.26 MPa，精制加氫反應溫度為280℃，壓力為9.0 MPa，因此PTA生產(chǎn)裝置是一套典型的高溫、中壓、強腐蝕性、部分單元臨氫操作的危險性較高的化工生產(chǎn)裝置，其工藝過程復雜、操作條件苛刻。PTA生產(chǎn)裝置為甲類火災危險性生產(chǎn)場所，并構成重大危險源，在生產(chǎn)過程中，很多因素可能導致火災爆炸，造成重大人身傷害及財產(chǎn)損失。

PTA工藝裝置的反應器、壓縮機及干燥機等設備均為超限設備，根據(jù)大件設備的施工吊裝方案研究，氧化反應器、壓縮機及干燥機的吊車站位空間一般需要 20～30 m。

因此，在進行裝置的總圖布置時：首先，應滿足工藝流程順暢、管線道路短捷等基本要求；其次，裝置應遠離人員集中場所，其與周邊設施的安全間距應根據(jù)安全分析確定，并設置環(huán)形通道以滿足消防要求；第三，裝置周邊需要留出足夠的通道寬度，以滿足大件設備施工安裝及檢修場地的要求。

以國內某2×220萬t/a規(guī)模PTA項目為例，對PTA生產(chǎn)裝置主要風險設備進行事故后果模擬分析，氧化反應器的泄露爆炸模擬見圖1，其死亡半徑為44.2 m，重傷半徑為93.0 m，輕傷半徑為181 m。

圖1 氧化反應器泄漏爆炸（UVCE）模擬圖

加氫反應器泄露爆炸模擬結果如圖2所示，其死亡半徑為5.4 m，重傷半徑為19.5 m，輕傷半徑為37.9 m。

圖2 加氫反應器泄漏爆炸（UVCE）模擬圖

由風險模擬結果可以看出，PTA裝置最大的爆炸危險源為氧化反應器，加氫反應器對裝置界區(qū)外的設施基本沒有影響。因此布置時應重點控制氧化反應器死亡半徑及重傷半徑覆蓋范圍內無人員集中場所，并對受影響的區(qū)域進行計算分析，采取防護（如抗爆結構等）措施，以減輕工藝裝置的爆炸沖擊波對人員造成的傷害。

4.3 液體罐區(qū)總圖布置

PTA生產(chǎn)的主要原料是PX，其密度為856.3 kg/m3，閃點為25℃，火災類別為甲B類。PX在操作運行、儲存、輸送過程中，一旦發(fā)生泄漏并遇到火源或高溫物體時，非常容易起火，如未及時得到控制就會釀成火災事故。

在進行PX罐區(qū)設計時，應首先確保儲罐布置的安全性，確保與周邊人員集中場所及敏感地點的防護距離滿足安全要求；罐區(qū)宜布置在全年最小風頻的上風側，且位于廠區(qū)邊緣較低處；根據(jù)項目用地情況、PX消耗量、PX儲存周期及運輸方式等因素綜合分析確定罐容及數(shù)量。

以某220萬t/a PTA項目為例，PX年消耗量為160萬t，PX通過海運至園區(qū)碼頭并通過管道輸送至廠內罐區(qū)。結合海運周期、運輸船型及卸船操作時間等因素進行儲罐設計方案對比，最終確定設置3個30000 m3的PX儲罐。對PX儲罐進行事故后果模擬分析，結果如圖3所示，其死亡半徑為79.9 m，重傷半徑為102.6 m，輕傷半徑為184.9 m。

最終確定的布置方案中，PX儲罐的死傷半徑范圍內無人員集中場所，儲罐罐容也能夠滿足海運船只正常進出關及卸料周期內的生產(chǎn)消耗。

4.4 成品儲運總圖布置

圖3 PX儲罐泄漏爆炸模擬圖

PTA在常溫下是白色粉末狀晶體，無毒可燃，火災危險類別為丙類，若與空氣混合，粉塵層達到最低著火溫度或者出現(xiàn)最小點火能量時，會發(fā)生粉塵燃燒和粉塵爆炸。

PTA產(chǎn)品通過管道輸送由生產(chǎn)裝置進入日料倉，經(jīng)分析合格后的產(chǎn)品送入成品料倉，然后裝槽車或打包，不合格品打包另作他用。PTA成品輸送氣體為氧化反應的尾氣，PTA料倉尾氣經(jīng)布袋除塵器處理后排放。受壓力影響，如果PTA成品輸送管道過長，壓力波動較大，輸送會變得不穩(wěn)定，故在布置PTA成品料倉和倉庫時，除需布置在靠近運輸線路、裝卸作業(yè)方便的地段外，還應著重考慮與生產(chǎn)裝置就近布置的可能性。

PTA成品外運方式主要有槽車和打包裝袋2種。以某年產(chǎn)250萬t PTA項目為例，如圖4所示，該項目設置1個日料倉和4個成品料倉，成品料倉都可以裝槽車或打包?？紤]到產(chǎn)品汽車運輸量較大，在料倉下設置汽車衡，槽車裝車的同時稱重，以減少車輛在廠區(qū)入口處的停留操作時間，避免在廠區(qū)出入口形成交通咽喉口；同時在料倉下設置包裝機，打包后送入倉庫儲存裝車。

圖4 PTA成品倉庫及料倉布置及物流路線圖

4.5 輔助生產(chǎn)區(qū)總圖布置

正常工況下PTA裝置使用副產(chǎn)惰性氣體，不消耗新鮮氮氣，僅在故障狀態(tài)、PTA裝置不能提供惰性氣體時，需輔助提供高壓氮氣和低壓氮氣。液氮一般通過市場采購，在廠區(qū)內進行汽化。液氮本身火災危險性不高，但液氮儲罐屬于壓力容器，在高溫或故障的情況下，有爆裂的危險，同時可能引發(fā)低溫凍傷、中毒窒息事故。因此，液氮站一般布置在廠區(qū)邊緣，遠離人員集中場所。

污水處理場宜位于廠區(qū)邊緣或廠區(qū)外地下水位較低處，在人員集中場所全年最小頻率風向的上風側且靠近污水排放出口的地段。英國石油公司PTA工藝的污水處理采用厭氧+好氧生化處理工藝，會產(chǎn)生副產(chǎn)品沼氣，沼氣經(jīng)過氣水分離后進入沼氣氣柜儲存，然后經(jīng)沼氣壓縮機加壓后送至用戶燃燒。因此在布置污水處理場時需要注意涉及沼氣的設備與周邊場所的安全距離及影響。

消防泵站宜靠近水源接入點布置，同時遠離生產(chǎn)裝置及儲罐區(qū)。

PTA生產(chǎn)過程中壓縮機的循環(huán)水用量較大，因此循環(huán)水場宜靠近生產(chǎn)裝置的壓縮機廠房，并避免布置在生產(chǎn)裝置的爆炸危險區(qū)范圍內。循環(huán)水塔宜布置在通風條件良好的開闊地帶，同時結合全年主要風向綜合考慮水霧對周邊設施的影響；與相鄰建構筑物的凈距不小于冷卻塔進風口高度的2倍，以減小周邊設施對冷卻塔冷卻效果的影響。

空壓站宜布置在空氣潔凈地段，并靠近生產(chǎn)裝置，應避免靠近散發(fā)爆炸性、腐蝕性、毒性氣體及粉塵等有害物質的場所，且應有良好的通風和采光條件，避免西曬[3]。

4.6 生產(chǎn)管理及生活服務設施總圖布置

生產(chǎn)管理及生活服務設施應按其性質和使用功能集中獨立成區(qū)布置，布置在主要人員出入口且與外部聯(lián)系方便的位置；宜位于廠區(qū)全年最小頻率風向的下風側，環(huán)境潔凈且相對安全的地段；遠離爆炸危險源及高毒泄露源，間距應符合GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設計防火標準》、GB 50984—2014《石油化工工廠布置設計規(guī)范》和GB 50016—2014（2018年版）《建筑設計防火規(guī)范》的相關要求，并且便于與生產(chǎn)區(qū)聯(lián)系。

中央控制室宜布置在生產(chǎn)區(qū)以外且與生產(chǎn)區(qū)聯(lián)系方便的地段；應遠離振動源、高噪聲源和存在較大電磁干擾的場所；根據(jù)專項評價分析確定是否需要采取抗爆結構。

中心化驗室應遠離振動源，不應布置在散發(fā)毒性、腐蝕性及其他有害氣體、粉塵等設施的全年最大頻率風向的下風側；宜布置在生產(chǎn)管理區(qū)內。

圖5所示的布置中，生產(chǎn)管理區(qū)與生產(chǎn)裝置之間通過布置危險性較低的生產(chǎn)輔助設施進行隔離，并且與生產(chǎn)裝置的蒸氣云爆炸（VCE）爆炸源間距滿足標準規(guī)范200 m[4]的安全要求。

圖5 生產(chǎn)管理區(qū)布置

4.7 豎向布置

廠區(qū)豎向標高的確定應首先滿足場地設計頻率內的防洪排澇要求；由于國內PX主要依賴進口，因此PTA項目廠址大多選擇在沿海地區(qū)，廠區(qū)的防洪排澇大多可依托當?shù)匾呀ǔ傻牡谭涝O施。

廠區(qū)豎向布置應充分利用和合理改造自然地形，與總平面布置相協(xié)調。場地平整力求土石方量最小，并合理確定填挖高度，避免深挖高填。由于PTA生產(chǎn)裝置占地超過20 000 m2，主要設備對地基承載力要求較高，因此在進行豎向設計時，應保證生產(chǎn)裝置布置在同一平臺，盡量布置在挖方或低填方地段。

5 結語

通過對PTA工廠總圖設計過程中的一些通用及典型問題的介紹，可以看出，合理的總圖布置不但可以增強工廠的安全保障，還可以降低建設投資和運行成本。針對目前PTA行業(yè)的現(xiàn)狀及總圖布置中存在的問題進行舉例說明，希望能對后續(xù)PTA工廠的總圖設計起到一定的指導作用。