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氫氣《氣體應(yīng)用大全》

2019-6-19 11:19:50

氫 H₂

1.別名·英文名

Hydrogen．

2.用途

氣體燃料，石油精煉，制造油脂、硬化油等人造奶油，甲醇、鹽酸、氨等的合成，焊接和金屬的切割，氣象觀測，玻璃的融化，冶金工業(yè)，冷卻劑(液氫)，半導(dǎo)體制造用平衡氣、蝕刻氣、標(biāo)準(zhǔn)氣、零點氣、校正氣、熱氧化、外延、擴散、多晶硅、鎢化、離子注入、載流、燒結(jié)等。

3.制法

(1)水電解法。

(2)煤和焦碳的氣化法。

C+H₂O→H₂+CO

CO+H₂O—→CO₂+H₂

CO+3H₂—→CH₄+H₂O

CH₄+H₂O→Co+3H₂

CH₄+CH₂—→CO+H₂

(3)石油或天然氣的分解法。

CO+H₂O—→CO₂+H₂

(4)回收石油化工業(yè)副產(chǎn)品氣體中的氫。

(5)回收食鹽電解副產(chǎn)品氣體中的氫。

(6)回收煉鋼工業(yè)副產(chǎn)品氣體中的氫(煉焦?fàn)t氣、高爐氣和轉(zhuǎn)爐氣)。

4.理化性質(zhì)

分子量： 2.016

熔點(101.325kPa)： -259.2℃

沸點(101.325kPa)： -252.8℃

液體密度(-252.766℃，101.325kPa)：70.973kg/m³

氣體密度(0℃，101.325kPa)：0.0899kg/m³

相對密度(25℃，101.325kPa，空氣=1)：0.0695

比容(21.1℃，101.325kPa)： 11.9674m³/kg

壓縮系數(shù)：

溫度 ℃	壓縮系數(shù)
溫度 ℃	101.325kPa	1013.25kPa	10132.5kPa	50662.5kPa
25 50	1.001 1.000	1.006 1.006	1.0613 1.0579	1.3244 1.3014

臨界溫度： -239.9℃

臨界壓力： 1297 kPa

臨界密度： 31.0 kg/m³

熔化熱(13.8K)： 58.16kJ/kg

汽化熱(18K)：457.80kJ/kg

比熱容(101.33kPa，273.15K)： Cp=14190J/(kg·K)

Cv=10080J/(kg·K)

比熱比(26.8℃，101.325kPa)： Cp/Cv=1.405

蒸氣壓(16K)： 21kPa

(24K)： 260kPa

(32K)： 1100kPa

粘度(101.325kPa，25℃)：0.00886mPa·S

表面張力(液一氣介面，-258℃)： 2.80 mN/m

導(dǎo)熱系數(shù)(100kPa，270K)：0.16705W/(m·K)

折射率(20.33K，100kPa，液體，4047A)：n=1.11262

(20℃，101.325kPa，氣體)： n=1.0001297

在空氣中可燃范圍(20℃，101.325kPa)： 4.0～74.5%

在空氣中最低燃點(101.325kPa)： 570℃

在空氣中當(dāng)量燃燒時火焰溫度： 1430℃

在空氣中當(dāng)量燃燒時最大火焰速度： 2.65m/s

在氧氣中可燃范圍(20℃，101.325kPa)：4%～94%

在氧氣中最低自燃點(101.325kPa)：560℃

在氧氣中當(dāng)量燃燒時火焰溫度： 2830℃

在氧氣中當(dāng)量燃燒時最大火焰速度： 14.36m/s

在氧氣中當(dāng)量燃燒時燃燒熱： 12761 J/m³(高)

11506 J/m³(低)

毒性級別：0

易燃性級別(液氫)： 4

易爆性級別(液氫)：0

火災(zāi)危險度：極大

氫是在已知氣體中最輕的氣體。氫在常溫常壓下是無色無臭無味的可燃性氣體。它除因缺氧而引起窒息外，還沒有發(fā)現(xiàn)毒性。氫與空氣、氧、鹵素的親和力強。氫氣在空氣和氧氣中有很寬的可燃范圍。氫氣的燃點較高，但其點火能很小，所能很容易著火，在微小的靜電火花下也容易著火。這是一個具有特殊意義的性質(zhì)。當(dāng)它接觸明火或遇熱時就可燃燒，而且發(fā)出幾乎看不見的火焰。氫氣又是一種高能燃料，當(dāng)與空氣或其它氧化劑結(jié)合著火時，以放熱或爆炸的方式釋放出大量的能量，其反應(yīng)的猛烈程度取決于燃燒的條件。氫與鹵素氣體的混合物在日光下也能發(fā)生爆炸。氫與一氧化二氮的混合物的爆炸范圍為5.2%～80%，與一氧化氮混合物的爆炸范圍為13.5%～49%。氫氣的這一易燃易爆性是極其危險可怕的特性。氫又是很容易擴散和浸透的氣體，它非常容易泄漏，而且好停留在天花板等高處。

低溫氫氣與常溫氫氣密度不同，當(dāng)它從液態(tài)氫開始蒸發(fā)時比空氣重，沉積在地面上，等升溫后才開始擴散。冷氫氣遇到潮濕空氣時能形成濃霧，并由此可看出它擴散的跡象。但在可見到的濃霧外圍仍能形成爆炸性混合物。如果氫氣云在最初閃速蒸發(fā)時著火，就會產(chǎn)生火球。

氫的還原性很強，在高溫與金屬氧化物、金屬氯化物反應(yīng)游離出金屬，所以它一般沒有腐蝕性。在白金等催化劑的作用下與有機化合物作用還原醛等不飽和烴。

C₂H₂+H₂—→C₂H₄

C₂H₄+H₂—→C₂H₆

CH₃CHO+H₂—→CH₃CH₂OH

CH₃COOC₂H₅+2H₂—→2CH₃CH₂0H

CH₃COCH₃+H₂—→CH₃CH—CH₃

| OH

氫又能浸入金屬的晶格之間使晶格膨脹或變形，造成金屬材料的脆化。鋼材在高溫下產(chǎn)生如下脫碳反應(yīng)而受氫的浸蝕。

Fe₃C+2H₂—→CH₄+3Fe

氫氣能被過渡金屬可逆性地吸附或吸收而生成不定量的金屬氫化物。被吸收的氫氣的量在Pd、Pt、Ni、Ti、Fe等中較多，對Pd來說，它能吸收其體積800倍的氫氣。

氫微溶于水，在20℃時吸收系數(shù)a為0.0182。

5.毒性

氫氣本身無毒，吸入后仍以原形排出。它是一種窒息劑，但是在實際工作中因氫氣窒息而死亡的例子很少，然而，因氫氣引起的火災(zāi)和爆炸事故卻不斷地發(fā)生。因此對氫氣的易燃易爆性應(yīng)引起足夠地重視。

氫氣一般充裝在高壓鋼瓶或液化后裝在低溫容器中。所以除了高壓氫氣的泄漏起火或爆炸的危險之外，還有被液氫冷燒傷的危險。

6.安全防護

進行接觸液氫的工作時要穿戴護目鏡、防護鞋襪、干凈結(jié)實的手套、抗靜電工作服等防護用品。

氣體氫要用高壓鋼瓶貯裝，液氫要用絕緣的容器或槽車貯運。搬運容器時要嚴防容器碰損。容器要存放在通風(fēng)良好，陰涼干燥又能耐火的專門建筑物或室外。存放地點要遠離氧和氯的貯存容器，炸藥、毒物、放射性材料、過氧化有機物以及其它可燃材料。要避免陽光直射，溫度要保持40℃以下。密閉的存放容器室，其高低點處應(yīng)保持足夠的通風(fēng)以防氫氣停留。存放區(qū)內(nèi)嚴禁煙火?？赡艿狞c火源有：燃著的香煙或煙葉、明火焰和電火花、焊接和切割時所產(chǎn)生的火花和熔化金屬、溫度高于540℃的熱表面或材料、材料沖擊時所產(chǎn)生的火花、靜電排除時所產(chǎn)生的電火花、帶有電火花接觸的正常電氣設(shè)備(包括內(nèi)燃機)等。

氫氣系統(tǒng)的設(shè)備管道要嚴格密封，嚴防泄漏或噴出。可以用肥皂液等表面活性材料探漏，但決不能用明火來探漏。氫氣有可用奧氐體不銹鋼、鋁、鋁合金等耐低溫材料?？梢杂镁鬯姆蚁?、能泄漏和停留的地方要設(shè)置檢測和報警裝置。

氫是強還原劑，在正常條件下無腐蝕性。在室溫可以用碳鋼、不銹鋼、銅、銅合金、鋁和鋁合金等通用金屬材料。在高溫高壓下，碳鋼和低合金鋼受氫氣侵蝕，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。低溫下可以聚三氟氯化乙烯聚合體和氟化橡膠。

氫氣的火災(zāi)具有與一般火災(zāi)及其它氣體火災(zāi)不同的獨特特征。所以，如果對氫氣這些特征不了解，則可能因處置方法不當(dāng)而促成更大的災(zāi)害。氫氣火災(zāi)的特點有：

(1)通常是因氫氣泄漏或噴出空氣中引起燃燒。

(2)跑出開放空間的氫氣直接在大氣中擴散，但是跑入封閉空間的氛氣．如果不著火，則會組成爆炸范圍內(nèi)的混合氣，停留在空間的上部。

(3)氫氣的火焰用肉眼看不見。

(4)在密閉空間，濃度處在爆炸范圍內(nèi)的混合氣著火時，就可產(chǎn)生爆炸，而且它還可能使近處的可燃物著火，蔓延火災(zāi)。

(5)氫氣的著火能很小。所以氫氣的著火源除了明火之外還有電火花、靜電放電、撞擊火花等微小的火源。甚至從容器中噴出時也能著火。

(6)當(dāng)從容器中泄漏的氫氣著火時，容器本身受熱，或因外部火災(zāi)而容器受熱，從而可能引起容器破裂或爆炸，造成二次火災(zāi)。

(7)噴出氫氣的火災(zāi)，其火焰長度L和寬度W取決于噴出壓力P及噴出口直徑D。它們之間有如下近似關(guān)系。

L/D=222.8P0.384

W/D=27.60P0.451

L、w、D的單位為m，P的單位為kg/cm²(絕對)。按這個式子推算從充氣壓力為150kg/cm²，閥門口徑為4mm的鋼瓶中噴出著火的氫氣火焰的大小為L=6.1m，W=1.05m。

液氫火災(zāi)的特點為：

(1)燃燒火焰用肉眼看不見。

(2)根據(jù)紫外線畫像裝置觀察，火焰的大小比汽油的火焰稍微大一些。

(3)火焰的溫度和輻射熱也比汽油大一些。

(4)液面下降的速度非?？?，是汽油的約7倍。

(5)液氫中容易混入空氣，混入空氣的液氫燃燒非常激烈，其火焰的大小增大2倍以上，輻射熱也大3倍以上。

撲滅氫火焰最有效的方法是切斷氣源。可以用粉沫滅火劑、霧狀水、二氧化碳、1211滅火劑、1301滅火劑等。滅火時要有一個安全的距離，而且要站在上風(fēng)方向?；饒鲋械臍怏w容器要澆水冷卻以防止升溫爆炸。

液氫火災(zāi)的滅火非常困難，即使在很小的液面上著的火也是用一般的滅火器無法熄滅的，需要用特殊的滅火設(shè)備。

氫氣因其分子量小，非常容易泄漏。泄漏常發(fā)生在閥門和容器的連接部、閥門的填料蓋、安全閥、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)器接口、氣體軟管和管道的連接部等。氫氣泄漏時，首先要切斷所有的火源，然后堵漏、排風(fēng)。廢氫氣可排到大氣中。

液氫也因其分子小，粘度很小，所以能從非常小的孔和縫隙中泄漏。液氫的泄漏盡管其量小，但是當(dāng)它氣化后就變成數(shù)百倍液體容積的氣體，所以對它應(yīng)高度重視。當(dāng)液氫泄漏時，首先要關(guān)閉閥門等以切斷泄漏源，然后用惰性氣體來稀釋氫氣濃度使其在爆炸界限以下。

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