离子膜烧碱项目实践应用中的安全分析

许晓琳

(山西阳煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

依据《重点监管的危险化工工艺目录》(2013年完整版)和《重点监管的危险化学品名录》(2013年完整版)，电解工艺属于重点监管的危险化工工艺，电解工艺中电解生成的氢气和氯气均为重点监管的危险化学品。表1中几个事故案例的技术有相似之处，足以引以为戒。

表1 电解工艺安全事故

1 离子膜烧碱装置工艺选择

以食盐为原料的电解制烧碱的方法有水银法、隔膜法和离子膜法。

水银法电解法生产的烧碱质量好，但能耗高，对环境污染严重，无法满足日益严格的环保要求，因此工艺已被淘汰。

隔膜法电解，出电解槽碱液的浓度低，且含有大量氯化钠，不能直接作成品，必须经过蒸发、浓缩、除盐后才能作为成品销售。同时，隔膜法烧碱只能用于部分行业，不宜用于需高纯烧碱的行业，而且，在三种制碱方法中其能耗最高。此法中的石墨阳极工艺已被淘汰。

离子膜烧碱法是当今世界最新的制碱技术，此法出电解槽的碱液浓度高、含盐量低、质量优，能耗少，无汞害、无铅和沥青及石棉绒污染，投资省，是氯碱工业的发展方向。本次设计选用离子膜法电解工艺技术，出电解槽氢气纯度(体积分数)≥99%；氯气纯度≥98.5%。

2 离子膜烧碱装置实践应用中的安全分析

2.1 电解工艺简述

电解工艺系采用以精制盐水和纯水为原料，通入直流电进行电解的工艺。

阳极液系统流程：

精制盐水经加盐酸调节pH值后，由泵经盐水加热器加热后，通过每台电解槽的分配器进料，进而被分配到每个阳极单元并在其中分解成氯离子(Cl-)和 钠离子(Na+)，通入直流电后，Cl-在阳极放电生成氯气，Na+穿过离子膜进入阴极室与OH-结合生成NaOH。从每个阳极室生成的淡盐水和湿氯气的两相流体以溢流方式进入电解槽的集液分配器，并在其中将淡盐水和湿氯气分离，由分配器出来的淡盐水依靠重力自流进阳极液受槽，阳极液受槽中的一部分淡盐水由液位控制器控制被泵打入脱氯工序，经氯酸盐分解和脱氯后重新饱和。部分淡盐水与精制盐水混合后流回电解槽阳极室进行电解。分离的湿氯气通过支管和总管被送往氯气处理工序。纯水进入离子膜电解槽的阴极室。

阴极液系统流程：

纯水和循环碱经过烧碱换热器后进入每台离子膜电解槽分配器，而后被分配流进每个阴极单元，并在其中将 H2O分解为OH-离子和H+离子，OH-离子与从阳极室穿过离子膜进入的Na+离子结合生成NaOH，H+离子在阴极放电生成氢气。从每个阴极室中产生的烧碱溶液和氢气的两相流体以溢流方式进入电解槽的集液分配器并在其中将烧碱溶液和氢气分离。由分配器出来的烧碱溶液流经支管和总管，依靠重力自流进碱液循环槽，烧碱溶液在离开碱液循环槽后可分为两部分：一部分作为商品碱液销售；另一部分则作为循环碱加入纯水后回流至电解槽阴极室。氢气经洗涤、冷却除水后，可作为产品销售。

2.2 危险源及危险和有害因素分析

电解工艺过程中可能导致产生泄漏、爆炸、火灾、中毒事故的危险源。

2.2.1 泄露

电解装置的泄漏主要为故障泄露和运行泄露。其中，故障泄漏主要包括，储罐、反应槽、反应器、管线、阀门、法兰等破损及泄漏；罐、槽、器、管、阀、表等连接处泄露，泵破裂或转动设备密封处泄漏；由自然灾害(如雷击、地震)造成设备破裂泄漏等。

运行泄露主要包括，超温、超压造成破裂、泄漏；安全阀、防爆膜等安全附件失灵或损坏；进出料配备、料量、速度不当造成反应失控导致容器、管道等破裂、泄漏等。

2.2.2 火灾、爆炸危险性分析

氢气的爆炸极限为4%～74.2%，一旦发生泄漏极易引起火灾、爆炸事故；氯气虽为不燃物，但为助燃物，具有强氧化性，遇到可燃物时，一旦有火源就会发生火灾、爆炸事故。

生产设备、储罐、泵、物料管线、连接法兰及其相关设施由于腐蚀、法兰未紧固等原因，可能导致物料泄漏。其物料蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸；安全设施失效、超温、超压等引发的火灾、爆炸。

驾驶员、押运员无证上岗，车辆未按规定路线行驶，在人口稠密区违规停留，而可能引起火灾、爆炸事故；危险化学品罐车在铁路运输过程中发生意外事故而导致火灾等事故。

包装及容器损坏或不符合要求产生物料泄漏；产品受潮变质；与性质相抵触的物品混运；静电或电气火花、明火、高热可引发火灾、爆炸事故。

检修过程中，违章作业也可能引起火灾、爆炸事故。

2.2.3 可能出现中毒事故的危险、有害因素

在贮存、装卸和运输过程中如果有泄漏发生，或者作业人员没有采取很有效的个人防护措施，从而接触有毒物料就会发生中毒事故。

2.3 主要危险因素存在场所

电解装置中存在的主要危险情况见表2。

表2 电解装置存在主要危险因素

2.4 安全措施

2.4.1 防火防爆措施

设备、管道的压力等级设计、选取、安装、试压等均需严格执行国家、行业标准及规范要求。

全密闭的生产和储运系统是最有效的防火、防爆措施之一。从原料的输入、加工、直至产品的输出，所有可燃、易燃易爆物料始终密闭在各类设备和管道中，各个连接处采用可靠的密封措施。

严格管理和杜绝明火是防火、防爆的重要措施之一。

处理含烃、有毒及有害物料的安全阀均需设计副线，装置吹扫气体通过副线密闭送入放空管网；检修时产生的污油、污水通过密闭管线回收，集中处理；可燃气体放空管道内的凝结液密闭回收，不随地排放，尽量消除火灾隐患。对生产过程中关键设备、关键参数设计压力调节阀、紧急放空阀和安全阀，避免因系统超温超压而引发火灾爆炸事故。

主体设备、管线大部分露天布置，如发生泄漏有利于可燃气体的扩散。

施工时确保施工质量，开工前做压力实验，确保设备、管线密封完好。

2.4.2 防毒措施

为防止离子膜电解在事故状态下发生氯气泄漏，设置事故氯处理装置，且并入SIS系统；在液氯工序设置事故处理池，在液氯贮槽间及液氯包装点设置真空抽吸系统；在装置及设施设可燃(有毒)气体浓度检测报警系统，与通风系统联锁；操作人员配备防毒面罩，重点有毒有害岗位配备氧气呼吸器。

3 结论及建议

离子膜电解工艺成熟，但所涉及的原料和产品属于易燃、易爆、有毒物质，有较大危险性。装置内存在的主要有害因素有火灾、爆炸、毒性等。需要充分考虑这些因素，从设备选型、系统控制、设备布置、消防安全等方面作比较全面的防范，对可能出现的事故采取相应的处理措施。

生产过程中储罐充装量不得超过总装量的85%，并且需要定期对充装好的液氯钢瓶进行抽样，检测三氯化氮含量，防止三氯化氮超标爆炸。

氯气属于剧毒化学品，其储存、运输、使用等各环节一定要有专人看管，负责监督。在操作过程中，配带相应的防护设备。应当制定生产安全事故应急救援预案，编制液氯贮槽泄漏的应急预案，建立应急救援队伍，定期进行应急救援预案的演练。

化工建设项目需要严格执行国家、地方、行业及企业制定的各项有关安全设施的法律、法规和标准、规范，做到安全设施与主体工程同时设计、同时施工、同时投入生产和使用。对生产中易燃、易爆、有毒、有害物质设置必要的防范措施，并实施有效控制，采用先进的生产技术、设备和控制手段，防止事故的发生，使建设项目达到较高的安全水平。