彭寧

惠生工程（中國(guó)）有限公司 （上海 201210）

精對(duì)苯二甲酸（PTA）是原油的下游產(chǎn)品，以對(duì)二甲苯（PX）為原料；PTA是化纖行業(yè)的重要原料，在國(guó)內(nèi)目前主要用于與乙二醇酯化聚合生產(chǎn)聚酯切片、長(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)絲，是石化和聚酯產(chǎn)業(yè)鏈的分水嶺。

全球PTA生產(chǎn)地長(zhǎng)期以來主要集中在日本、北美、歐洲等國(guó)家和地區(qū)。隨著世界聚酯生產(chǎn)中心向亞洲轉(zhuǎn)移，尤其是2010年以后中國(guó)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P(guān)TA產(chǎn)能預(yù)測(cè)分布情況（表1）可以看出，亞洲，尤其是中國(guó)，在全球PTA市場(chǎng)中已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。

根據(jù)近年P(guān)TA有效產(chǎn)能的平均增速分析，預(yù)計(jì)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(guó)等國(guó)家經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇以及歐亞大陸“一帶一路”建設(shè)布局的逐步展開，全球PTA需求仍將保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2017年P(guān)TA的消費(fèi)量約為5900萬t，預(yù)計(jì)2020年消費(fèi)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(cè)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(yù)測(cè)分布

1.1 PTA生產(chǎn)工藝技術(shù)

目前，世界上主要的PTA生產(chǎn)工藝技術(shù)廠家有英國(guó)石油公司（BP）、美國(guó)英威達(dá)公司（INVISTA）、日本三井油化公司、意大利DOW-INCA公司、日本三菱化學(xué)株式會(huì)社（MCC）、伊士曼化學(xué)公司、中國(guó)臺(tái)灣—日本AEC-HITACHI公司、中國(guó)昆侖工程有限公司等。各PTA專利廠家在生產(chǎn)原料、主反應(yīng)過程方面沒有太大的區(qū)別，只是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)有所不同，主要表現(xiàn)在氧化反應(yīng)溫度和壓力參數(shù)、PTA結(jié)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(guó)石油公司工藝專利技術(shù)的PTA項(xiàng)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(jìn)行氧化反應(yīng)使其生成粗對(duì)苯二甲酸（CTA），再將CTA通過加氫反應(yīng)去除其中所含雜質(zhì)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(zāi)爆炸危險(xiǎn)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(zhì)。PX的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)存在于原料配制、氧化反應(yīng)工序中；醋酸的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性存在于原料配制、氧化反應(yīng)、結(jié)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(gè)工藝過程；氫氣的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)存在于制氫、輸氫及加氫反應(yīng)等過程；甲醇的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)存在于制氫過程中。在氣流輸送、包裝、槽車灌裝、存儲(chǔ)、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(xiǎn)[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(xiǎn)，總結(jié)PTA工廠選址和總圖設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shè)施：PX儲(chǔ)罐、醋酸及母液儲(chǔ)罐、堿液儲(chǔ)罐、催化劑罐區(qū)及液體裝卸站。

（3）成品儲(chǔ)運(yùn)區(qū)：PTA倉(cāng)庫(kù)及料倉(cāng)。

（4）輔助生產(chǎn)區(qū)：鍋爐、脫鹽水站、消防泵站、循環(huán)水場(chǎng)、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(yàn)室、檢維修中心及辦公樓。

3 PTA工廠選址要點(diǎn)

對(duì)于PTA項(xiàng)目而言，項(xiàng)目的選址因素眾多，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)并結(jié)合廠址周邊情況對(duì)眾多選址條件進(jìn)行對(duì)比排查，主要分析對(duì)項(xiàng)目選址能夠形成決定性定論的因素。

3.1 安全性

項(xiàng)目選址首先應(yīng)符合國(guó)家、地方政策及法規(guī)的要求，滿足國(guó)家、地方及園區(qū)的規(guī)劃要求；其次應(yīng)遠(yuǎn)離大中型城市城區(qū)、社會(huì)公共福利設(shè)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(yīng)滿足安全要求[2]，應(yīng)在滿足項(xiàng)目安全及環(huán)境評(píng)價(jià)設(shè)立條件的前提下確定與周邊敏感點(diǎn)的間距要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)業(yè)主的戰(zhàn)略發(fā)展需求確定項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)指向性，首先應(yīng)確定項(xiàng)目是指向原料市場(chǎng)、消費(fèi)市場(chǎng)還是勞動(dòng)力和技術(shù)聚集區(qū)，并確定各因素的敏感程度，從而分析經(jīng)濟(jì)性。

運(yùn)輸條件：PTA項(xiàng)目的主要原料為PX，目前國(guó)內(nèi)大部分PX依賴海運(yùn)進(jìn)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(yùn)輸，因此產(chǎn)品的運(yùn)輸距離、外部公路運(yùn)輸條件、物流成本也是決定廠址的重要經(jīng)濟(jì)性因素。

公用工程依托條件：良好的公用工程供應(yīng)和依托條件可以減少項(xiàng)目建設(shè)投資，如廠址所在地周邊的消防設(shè)施、水源、電源、天然氣、蒸汽等依托條件。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合廠址所在地的“三廢”排放條件、場(chǎng)地平整土石方量、場(chǎng)地處理及建構(gòu)筑物地基處理成本、施工建設(shè)期間的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件、是否有居民區(qū)拆遷、人才引進(jìn)及招工條件等因素進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較來確定廠址的經(jīng)濟(jì)合理性。

3.3 技術(shù)性

目前國(guó)內(nèi)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，單套裝置項(xiàng)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(shí)現(xiàn)合理的功能分區(qū)，節(jié)省土地，降低建設(shè)和運(yùn)行成本。

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

此外，還應(yīng)重點(diǎn)分析工廠附近的鐵路、公路、長(zhǎng)輸管線、高壓線等重要設(shè)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(duì)工廠的布局形成重大制約。

4 PTA工廠總圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 總圖設(shè)計(jì)使用規(guī)范

目前國(guó)內(nèi)PTA工廠總圖設(shè)計(jì)采用的主要標(biāo)準(zhǔn)是GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50984—2014《石油化工工廠布置設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB 51205—2016《精對(duì)苯二甲酸工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》。同時(shí)，還要滿足工藝包專利商的一些技術(shù)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(nèi)的介質(zhì)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(jié)晶、過濾、干燥、溶解、加氫、化工液體輸送等，其中氧化反應(yīng)溫度為180℃、壓力為1.26 MPa，精制加氫反應(yīng)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(qiáng)腐蝕性、部分單元臨氫操作的危險(xiǎn)性較高的化工生產(chǎn)裝置，其工藝過程復(fù)雜、操作條件苛刻。PTA生產(chǎn)裝置為甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性生產(chǎn)場(chǎng)所，并構(gòu)成重大危險(xiǎn)源，在生產(chǎn)過程中，很多因素可能導(dǎo)致火災(zāi)爆炸，造成重大人身傷害及財(cái)產(chǎn)損失。

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

因此，在進(jìn)行裝置的總圖布置時(shí)：首先，應(yīng)滿足工藝流程順暢、管線道路短捷等基本要求；其次，裝置應(yīng)遠(yuǎn)離人員集中場(chǎng)所，其與周邊設(shè)施的安全間距應(yīng)根據(jù)安全分析確定，并設(shè)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(shè)備施工安裝及檢修場(chǎng)地的要求。

以國(guó)內(nèi)某2×220萬t/a規(guī)模PTA項(xiàng)目為例，對(duì)PTA生產(chǎn)裝置主要風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行事故后果模擬分析，氧化反應(yīng)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(yīng)器泄漏爆炸（UVCE）模擬圖

加氫反應(yīng)器泄露爆炸模擬結(jié)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(yīng)器泄漏爆炸（UVCE）模擬圖

由風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果可以看出，PTA裝置最大的爆炸危險(xiǎn)源為氧化反應(yīng)器，加氫反應(yīng)器對(duì)裝置界區(qū)外的設(shè)施基本沒有影響。因此布置時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制氧化反應(yīng)器死亡半徑及重傷半徑覆蓋范圍內(nèi)無人員集中場(chǎng)所，并對(duì)受影響的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算分析，采取防護(hù)（如抗爆結(jié)構(gòu)等）措施，以減輕工藝裝置的爆炸沖擊波對(duì)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(diǎn)為25℃，火災(zāi)類別為甲B類。PX在操作運(yùn)行、儲(chǔ)存、輸送過程中，一旦發(fā)生泄漏并遇到火源或高溫物體時(shí)，非常容易起火，如未及時(shí)得到控制就會(huì)釀成火災(zāi)事故。

在進(jìn)行PX罐區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確保儲(chǔ)罐布置的安全性，確保與周邊人員集中場(chǎng)所及敏感地點(diǎn)的防護(hù)距離滿足安全要求；罐區(qū)宜布置在全年最小風(fēng)頻的上風(fēng)側(cè)，且位于廠區(qū)邊緣較低處；根據(jù)項(xiàng)目用地情況、PX消耗量、PX儲(chǔ)存周期及運(yùn)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(xiàng)目為例，PX年消耗量為160萬t，PX通過海運(yùn)至園區(qū)碼頭并通過管道輸送至廠內(nèi)罐區(qū)。結(jié)合海運(yùn)周期、運(yùn)輸船型及卸船操作時(shí)間等因素進(jìn)行儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)方案對(duì)比，最終確定設(shè)置3個(gè)30000 m3的PX儲(chǔ)罐。對(duì)PX儲(chǔ)罐進(jìn)行事故后果模擬分析，結(jié)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(chǔ)罐的死傷半徑范圍內(nèi)無人員集中場(chǎng)所，儲(chǔ)罐罐容也能夠滿足海運(yùn)船只正常進(jìn)出關(guān)及卸料周期內(nèi)的生產(chǎn)消耗。

4.4 成品儲(chǔ)運(yùn)總圖布置

圖3 PX儲(chǔ)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(zāi)危險(xiǎn)類別為丙類，若與空氣混合，粉塵層達(dá)到最低著火溫度或者出現(xiàn)最小點(diǎn)火能量時(shí)，會(huì)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(jìn)入日料倉(cāng)，經(jīng)分析合格后的產(chǎn)品送入成品料倉(cāng)，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(yīng)的尾氣，PTA料倉(cāng)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(zhǎng)，壓力波動(dòng)較大，輸送會(huì)變得不穩(wěn)定，故在布置PTA成品料倉(cāng)和倉(cāng)庫(kù)時(shí)，除需布置在靠近運(yùn)輸線路、裝卸作業(yè)方便的地段外，還應(yīng)著重考慮與生產(chǎn)裝置就近布置的可能性。

PTA成品外運(yùn)方式主要有槽車和打包裝袋2種。以某年產(chǎn)250萬t PTA項(xiàng)目為例，如圖4所示，該項(xiàng)目設(shè)置1個(gè)日料倉(cāng)和4個(gè)成品料倉(cāng)，成品料倉(cāng)都可以裝槽車或打包?？紤]到產(chǎn)品汽車運(yùn)輸量較大，在料倉(cāng)下設(shè)置汽車衡，槽車裝車的同時(shí)稱重，以減少車輛在廠區(qū)入口處的停留操作時(shí)間，避免在廠區(qū)出入口形成交通咽喉口；同時(shí)在料倉(cāng)下設(shè)置包裝機(jī)，打包后送入倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存裝車。

圖4 PTA成品倉(cāng)庫(kù)及料倉(cāng)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?dú)?，僅在故障狀態(tài)、PTA裝置不能提供惰性氣體時(shí)，需輔助提供高壓氮?dú)夂偷蛪旱獨(dú)狻Ｒ旱话阃ㄟ^市場(chǎng)采購(gòu)，在廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行汽化。液氮本身火災(zāi)危險(xiǎn)性不高，但液氮儲(chǔ)罐屬于壓力容器，在高溫或故障的情況下，有爆裂的危險(xiǎn)，同時(shí)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(yuǎn)離人員集中場(chǎng)所。

污水處理場(chǎng)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(chǎng)所全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)且靠近污水排放出口的地段。英國(guó)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(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品沼氣，沼氣經(jīng)過氣水分離后進(jìn)入沼氣氣柜儲(chǔ)存，然后經(jīng)沼氣壓縮機(jī)加壓后送至用戶燃燒。因此在布置污水處理場(chǎng)時(shí)需要注意涉及沼氣的設(shè)備與周邊場(chǎng)所的安全距離及影響。

消防泵站宜靠近水源接入點(diǎn)布置，同時(shí)遠(yuǎn)離生產(chǎn)裝置及儲(chǔ)罐區(qū)。

PTA生產(chǎn)過程中壓縮機(jī)的循環(huán)水用量較大，因此循環(huán)水場(chǎng)宜靠近生產(chǎn)裝置的壓縮機(jī)廠房，并避免布置在生產(chǎn)裝置的爆炸危險(xiǎn)區(qū)范圍內(nèi)。循環(huán)水塔宜布置在通風(fēng)條件良好的開闊地帶，同時(shí)結(jié)合全年主要風(fēng)向綜合考慮水霧對(duì)周邊設(shè)施的影響；與相鄰建構(gòu)筑物的凈距不小于冷卻塔進(jìn)風(fēng)口高度的2倍，以減小周邊設(shè)施對(duì)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(yīng)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(zhì)的場(chǎng)所，且應(yīng)有良好的通風(fēng)和采光條件，避免西曬[3]。

4.6 生產(chǎn)管理及生活服務(wù)設(shè)施總圖布置

生產(chǎn)管理及生活服務(wù)設(shè)施應(yīng)按其性質(zhì)和使用功能集中獨(dú)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(fēng)向的下風(fēng)側(cè)，環(huán)境潔凈且相對(duì)安全的地段；遠(yuǎn)離爆炸危險(xiǎn)源及高毒泄露源，間距應(yīng)符合GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50984—2014《石油化工工廠布置設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的相關(guān)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(yīng)遠(yuǎn)離振動(dòng)源、高噪聲源和存在較大電磁干擾的場(chǎng)所；根據(jù)專項(xiàng)評(píng)價(jià)分析確定是否需要采取抗爆結(jié)構(gòu)。

中心化驗(yàn)室應(yīng)遠(yuǎn)離振動(dòng)源，不應(yīng)布置在散發(fā)毒性、腐蝕性及其他有害氣體、粉塵等設(shè)施的全年最大頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)；宜布置在生產(chǎn)管理區(qū)內(nèi)。

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(xiǎn)性較低的生產(chǎn)輔助設(shè)施進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)高的確定應(yīng)首先滿足場(chǎng)地設(shè)計(jì)頻率內(nèi)的防洪排澇要求；由于國(guó)內(nèi)PX主要依賴進(jìn)口，因此PTA項(xiàng)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(dāng)?shù)匾呀ǔ傻牡谭涝O(shè)施。

廠區(qū)豎向布置應(yīng)充分利用和合理改造自然地形，與總平面布置相協(xié)調(diào)。場(chǎng)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(shè)備對(duì)地基承載力要求較高，因此在進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證生產(chǎn)裝置布置在同一平臺(tái)，盡量布置在挖方或低填方地段。

5 結(jié)語

通過對(duì)PTA工廠總圖設(shè)計(jì)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(qiáng)工廠的安全保障，還可以降低建設(shè)投資和運(yùn)行成本。針對(duì)目前PTA行業(yè)的現(xiàn)狀及總圖布置中存在的問題進(jìn)行舉例說明，希望能對(duì)后續(xù)PTA工廠的總圖設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。