淺談精對苯二甲酸（PTA）化工廠總圖布置

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(nèi)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(zhuǎn)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P(guān)TA產(chǎn)能預(yù)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(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(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)增長態(tài)勢。2017年P(guān)TA的消費量約為5900萬t，預(yù)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(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(xué)株式會社（MCC）、伊士曼化學(xué)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(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石油公司工藝專利技術(shù)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(yīng)使其生成粗對苯二甲酸（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單元的整個工藝過程；氫氣的火災(zāi)爆炸危險存在于制氫、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(jié)PTA工廠選址和總圖設(shè)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(shè)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(yīng)根據(jù)項目特點并結(jié)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(yīng)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(yīng)遠離大中型城市城區(qū)、社會公共福利設(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)在滿足項目安全及環(huán)境評價設(shè)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(yīng)確定項目是指向原料市場、消費市場還是勞動力和技術(shù)聚集區(qū)，并確定各因素的敏感程度，從而分析經(jīng)濟性。

運輸條件：PTA項目的主要原料為PX，目前國內(nèi)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(yīng)和依托條件可以減少項目建設(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，還應(yīng)結(jié)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(gòu)筑物地基處理成本、施工建設(shè)期間的技術(shù)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(shù)性

目前國內(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(shè)和運行成本。

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

此外，還應(yīng)重點分析工廠附近的鐵路、公路、長輸管線、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，這些均可能對工廠的布局形成重大制約。

4 PTA工廠總圖設(shè)計要點

4.1 總圖設(shè)計使用規(guī)范

目前國內(nèi)PTA工廠總圖設(shè)計采用的主要標準是GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準》、GB 50984—2014《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》以及GB 51205—2016《精對苯二甲酸工廠設(shè)計規(guī)范》。同時，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(fù)雜、操作條件苛刻。PTA生產(chǎn)裝置為甲類火災(zāi)危險性生產(chǎn)場所，并構(gòu)成重大危險源，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產(chǎn)損失。

PTA工藝裝置的反應(yīng)器、壓縮機及干燥機等設(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(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)遠離人員集中場所，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地的要求。

以國內(nèi)某2×220萬t/a規(guī)模PTA項目為例，對PTA生產(chǎn)裝置主要風(fēng)險設(shè)備進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)險模擬結(jié)果可以看出，PTA裝置最大的爆炸危險源為氧化反應(yīng)器，加氫反應(yīng)器對裝置界區(qū)外的設(shè)施基本沒有影響。因此布置時應(yīng)重點控制氧化反應(yīng)器死亡半徑及重傷半徑覆蓋范圍內(nèi)無人員集中場所，并對受影響的區(qū)域進行計算分析，采取防護（如抗爆結(jié)構(gòu)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(zāi)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(zāi)事故。

在進行PX罐區(qū)設(shè)計時，應(yīng)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(fēng)頻的上風(fēng)側(cè)，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(nèi)罐區(qū)。結(jié)合海運周期、運輸船型及卸船操作時間等因素進行儲罐設(shè)計方案對比，最終確定設(shè)置3個30000 m3的PX儲罐。對PX儲罐進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儲罐的死傷半徑范圍內(nèi)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(guān)及卸料周期內(nèi)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(zāi)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(yīng)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(yīng)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(shè)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。考慮到產(chǎn)品汽車運輸量較大，在料倉下設(shè)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(shè)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(nèi)進行汽化。液氮本身火災(zāi)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(fēng)向的上風(fēng)側(cè)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(shè)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(nèi)。循環(huán)水塔宜布置在通風(fēng)條件良好的開闊地帶，同時結(jié)合全年主要風(fēng)向綜合考慮水霧對周邊設(shè)施的影響；與相鄰建構(gòu)筑物的凈距不小于冷卻塔進風(fēng)口高度的2倍，以減小周邊設(shè)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(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)境潔凈且相對安全的地段；遠離爆炸危險源及高毒泄露源，間距應(yīng)符合GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準》、GB 50984—2014《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》和GB 50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計防火規(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(jié)構(gòu)。

中心化驗室應(yīng)遠離振動源，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性較低的生產(chǎn)輔助設(shè)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(yīng)首先滿足場地設(shè)計頻率內(nèi)的防洪排澇要求；由于國內(nèi)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(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)備對地基承載力要求較高，因此在進行豎向設(shè)計時，應(yīng)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(jié)語

通過對PTA工廠總圖設(shè)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(shè)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(shè)計起到一定的指導(dǎo)作用。