氫氣應(yīng)用領(lǐng)域及安全知識(shí)拓展實(shí)驗(yàn)

1、 氫氣應(yīng)用領(lǐng)域及安全知識(shí)拓展氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域很大，其中，用量最大的是作為一種重要的石油化工原料，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇以及石油煉制過程的加氫反應(yīng)。此外，在電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品工業(yè)、浮法玻璃、精細(xì)有機(jī)合成、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域也有應(yīng)用。石油化工氫氣是現(xiàn)代煉油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的基本原料之一，在廣泛范圍內(nèi)氫以多種形式用于化學(xué)工業(yè)。合成氨、甲醇用的氫大部分是由天然氣、石腦油或重油的蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化制取。一個(gè)1000t/d規(guī)模的氨廠，每生產(chǎn)1t氨需要?dú)錃?36m3,大規(guī)模生產(chǎn)合成氨的主要成本取決于氫的成。一個(gè)2500t/d規(guī)模的甲醇廠，每生產(chǎn)1t甲醇約需要?dú)錃?60m3。石油煉制工業(yè)用氫量僅次于合成氨。在

2、石油煉制過程中，氫氣主要用于石腦油加氫脫硫、粗柴油加氫脫硫、燃料油加氫脫硫、改善飛機(jī)燃料的無火焰高度和加氫裂化等方面；在石油化工領(lǐng)域，氫氣主要用于C3餾分加氫、汽油加氫、C6C8餾分加氫脫烷基以及生產(chǎn)環(huán)己烷等方面催化重整原料的加氫是除去石腦油中的硫化物、氮化物、鉛和砷等雜質(zhì)，是石油煉制工業(yè)中最早使用的過程。柴油餾分和重質(zhì)餾分的加氫脫硫操作壓力為3-4MPa，溫度340-380。燃料油加氫脫硫主要是由于環(huán)保的要求，因?yàn)榭諝馕廴?5%是由于燃料油燃燒時(shí)放出的SO2引起的，加氫脫硫耗氫量大，工藝上可采用直接或間接脫硫。加氫裂化是在氫氣存在下進(jìn)行的催化裂化過程，反應(yīng)主要特征是C-C鍵斷裂，空速低，所用

3、氫氣量大。選擇性加氫主要用于高溫裂解產(chǎn)物，對乙烯餾分進(jìn)行氣相加氫，對丙烯餾分采用液相加氫，汽油餾分中富含二烯烴、烯烴和芳香烴，這類化合物在與空氣接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生膠質(zhì)，故一定要進(jìn)行加氫處理，將不穩(wěn)定化合物轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的產(chǎn)物。加氫精制也是除去有害化合物的過程，除硫化氫、硫醇、總硫之外，炔烴、烯烴、金屬和準(zhǔn)金屬等均可在加氫過程中除去。因而，在現(xiàn)代石油化學(xué)加工過程中，利用加氫工藝可以改善石油化學(xué)品的質(zhì)量，增加最有價(jià)值的石油化學(xué)品的產(chǎn)量.減少重油殘?jiān)徒褂偷纳?，降低結(jié)碳量，提高石油加工廠的適應(yīng)性，從石油加工廢物中可以得到很多有價(jià)值的石油化學(xué)產(chǎn)品，凈化一系列產(chǎn)品，除去有害雜質(zhì)。氫是現(xiàn)代石油化工工業(yè)產(chǎn)品最通用的

4、凈化劑，能提高大型裂化裝置的生產(chǎn)能力。 在石油化工領(lǐng)域，還可以用氫和一氧化碳反應(yīng)合成多種有機(jī)化合物，如乙二醇的合成、合成聚甲烯(polymethylen）、,醇的同系化反應(yīng)、與不飽和烴反應(yīng)制醛等。用費(fèi)托法可以合成各種烴，包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和一系列有價(jià)值的單一有機(jī)化合物，如固體石蠟、含氧化合物等。此外，采用選擇加氫，可由醛制醇，炔烴制烯烴，甲苯脫烷基制苯，硝基苯加氫制苯胺以及由萘制氫化萘等。在輕化工行業(yè)中所使用的二苯基亞甲基二異氰酸酯(MDI)、甲苯二異氰酸酯(TDI)、己二酸、脂肪醇等都需要采用催化加氫工藝。氫氣純度不同對加氫裝置能耗有較大影響，如95%的氫和99%氫用于柴油加氫對比，前者能耗為后

5、者的1.35倍。氫氣中含有的兩類雜質(zhì)對生產(chǎn)不利，一類是使催化劑中毒的雜質(zhì)(如O,H2S)，一類是惰性物質(zhì)(如甲烷、氮?dú)?、烴類)，有毒雜質(zhì)會(huì)使催化劑活性下降。電子工業(yè)在晶體的生長與襯底的制備、氧化工藝、外延工藝中以及化學(xué)氣相淀積（CVD）技術(shù)中，均要用到氫氣。 半導(dǎo)體工業(yè)對氣體純度要求極高，微量雜質(zhì)的“摻人”，將會(huì)改變半導(dǎo)體的表面特性。電子工業(yè)中多晶硅的制備需要用到氫。當(dāng)硅用氯化氫生成三氯氫硅SiHCl3后，經(jīng)過分餾工藝分離出來，在高溫下用氫還原，達(dá)到半導(dǎo)體需求的純度：SiHCl3+H2Si+3HCl當(dāng)用于氫氧合成氧化，常壓下將高純氫與高純氧通人石英管內(nèi)，使之在一定的溫度下燃燒，生成純度很高的水

6、，水汽與硅反應(yīng)生成高質(zhì)量的SiO2膜。在外延工藝中，用于硅氣相外延:四氯化硅或三氯氫硅在加熱的硅襯底表面與氫發(fā)生反應(yīng)，還原出硅沉積到硅襯底上，生成外延層的過程為： SiCl4+2H2Si+4HClSiHCl3+H2Si+3HCl上述過程對氫的純度要求很高。氫氣中含有的微量一氧化碳和二氧化碳雜質(zhì)會(huì)使襯底氧化，生成多晶硅。如果含有甲烷，則會(huì)生成碳化硅進(jìn)人外延層，引起缺陷。過去硅外延時(shí)，要求含氧量小于110-6，露點(diǎn)低于-70，現(xiàn)在要求更苛刻，在砷化鎵液相外延時(shí)，當(dāng)氫氣中含氧量降到0.0310-6，露點(diǎn)低于-90時(shí)，器件壽命可達(dá)104小時(shí)以上。 在電真空材料和器件如鎢和鉬的生產(chǎn)過程中，用氫氣還原氧化

7、物粉末，再加工制成線材和帶材，若其中所用的氫氣的純度越高，水含量越低，還原溫度越低，所得鎢、鉬粉末就越細(xì)。對氫閘管、離子管、激光管等各種充氣電子管的填充氣體純度要求更高，顯像管制造中所使用的氫氣純度大于99.99%。 在制造非晶硅太陽電池中，也需要用到純度很高的氫氣。光導(dǎo)纖維的應(yīng)用和開發(fā)是新技術(shù)革命的重要標(biāo)志之一，石英玻璃纖維是光導(dǎo)纖維的主要類型，在制造過程中，需要采用氫氧焰加熱，經(jīng)數(shù)十次沉積，對氫氣純度和潔凈度都有很高要求。浮法玻璃生產(chǎn) 在玻璃工業(yè)中廣泛使用的氣體有氫、乙炔、氧和氮。在浮法玻璃成形設(shè)備中裝有熔融的錫液，它極易被氧化，生成氧化錫，造成玻璃沾錫，增加錫的消耗量，因此需要將錫槽密封

8、，并連續(xù)不斷送人純凈的氫氮混合氣，維持槽內(nèi)正壓與還原氣氛，保護(hù)錫液不被氧化。浮法玻璃廠氫氣耗量取決于生產(chǎn)規(guī)模，一般在80-150m3/h之間，供氫模式多采用電解氫經(jīng)提純后送人錫槽，氫氣的純度為99.999%。冶金工業(yè) 在冶金工業(yè)中，氫氣主要用作還原氣，以便將金屬氧化物還原成金屬。氫氣除了用于還原若干種金屬氧化物以制取純金屬外，在高溫鍛壓一些金屬器材時(shí)，經(jīng)常用氫氣作為保護(hù)氣以使金屬不被氧化。食品加工工業(yè) 許多天然食用油具有很大程度的不飽和性，經(jīng)氫化處理后，所得產(chǎn)品可穩(wěn)定貯存，并能抵抗細(xì)菌的生長，提高油的粘度。植物油加氫氫化所用的氫氣，純度要求都很高，一般需嚴(yán)格提純后方可使用。食用油加氫的產(chǎn)品可加

9、工成人造奶油和食用蛋白質(zhì)等。非食用油加氫可得到生產(chǎn)肥皂和畜牧業(yè)飼料的原料，過程包括用氫和不飽和酸（油酸、亞油酸等）的甘油脂，將氫引人到液體脂肪或植物油的組成中?？臻g技術(shù)與燃?xì)鈶?yīng)用 氫作為航空燃料的優(yōu)點(diǎn)有很多，它不僅能滿足未來航空燃料的許多要求，最重要的是，氫燃燒對環(huán)境基本不產(chǎn)生污染。按單位質(zhì)量計(jì)，氫的燃燒熱值(119900-141900kJ/kg)比烴類燃料的燃燒熱值大1.8倍。由液氫組合成的推進(jìn)劑具有很高的比推力。因此，在空間技術(shù)中大量使用液氫。 用氫氣和氧氣可進(jìn)行焊接。氫氣在氧氣中燃燒的溫度可達(dá)3100K，氫通過電弧的火焰時(shí)分解成原子氫，生成的原子氫飛向熔接表面，金屬依靠吸收原子氫的熱被進(jìn)

10、一步加熱、熔化，使金屬焊接表面的溫度高達(dá)3800-4300K。這種原子氫可用于最難熔的金屬、高碳鋼、耐腐蝕材料、有色金屬等的熔融和焊接。用原子氫進(jìn)行焊接的優(yōu)點(diǎn)在于，氫原子束能防止焊接部位被氧化，使焊接的地方不產(chǎn)生氧化皮。氫氣還可以用作燃料電池的燃料。燃料電池是將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為直流電能的裝置，轉(zhuǎn)化效率接近100%。由于氫具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在大型發(fā)電機(jī)組中經(jīng)常用氫氣作冷卻劑。又由于氫是除氦以外具有極低沸點(diǎn)的氣體，液態(tài)氫在真空中蒸發(fā)可獲得14-15K的低溫，因而，在需要獲得超低溫的科學(xué)研究中，常用氫作制冷劑。此外，在氣相色譜分析中經(jīng)常用氫氣作載氣。由于氫密度低，還可以用于充填氣球和

11、飛艇。 利用金屬氫化物吸氫放熱、脫氫吸熱的性質(zhì)，可以建立熱泵循環(huán)或熱吸附壓縮機(jī)。還可利用金屬氫化物來貯存氫能。氫氣安全知識(shí)的拓展1、燃燒和爆炸危險(xiǎn)性極易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即發(fā)生爆炸。比空氣輕，在室內(nèi)使用和儲(chǔ)存時(shí)，漏氣上升滯留屋頂不易排出，遇火星會(huì)引起爆炸。在空氣中燃燒時(shí)，火焰呈藍(lán)色，不易被發(fā)現(xiàn)。2、健康危害為單純性窒息性氣體，僅在高濃度時(shí)，由于空氣中氧分壓降低才引起缺氧性窒息。在很高的分壓下，呈現(xiàn)出麻醉作用。氫氣是一種潔凈能源，在很多領(lǐng)域中都被使用，但同樣也是一種可燃?xì)怏w，與環(huán)境中的空氣混合后還會(huì)發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)，那氫氣在空氣中濃度達(dá)到多少ppm才會(huì)發(fā)生爆炸呢，我們?yōu)榱朔乐贡?，那又如何檢測氫氣濃度？我們知道，氫氣的爆炸極限是4.0%75.6%，就是一種體積比，意思就是如果氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%75.6%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于40%或大于756%時(shí)，即使遇到火源，