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氫氣
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(diǎn)氣、校正氣、熱氧化、外延、擴(kuò)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(diǎn)(101.325kPa): -259.2℃
沸點(diǎn)(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)
101.325kPa 1013.25kPa 10132.5kPa 50662.5kPa
25 1.001 1.006 1.0613 1.3244
50 1.000 1.006 1.0579 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%26;#8226;K)
Cv=10080J/(kg%26;#8226;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%26;#8226;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%26;#8226;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%
在空氣中低燃點(diǎn)(101.325kPa): 570℃
在空氣中當(dāng)量燃燒時(shí)火焰溫度: 1430℃
在空氣中當(dāng)量燃燒時(shí)大火焰速度: 2.65m/s
在氧氣中可燃范圍(20℃,101.325kPa):4%~94%
在氧氣中低自燃點(diǎn)(101.325kPa):560℃
在氧氣中當(dāng)量燃燒時(shí)火焰溫度: 2830℃
在氧氣中當(dāng)量燃燒時(shí)大火焰速度: 14.36m/s
在氧氣中當(dāng)量燃燒時(shí)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(xiǎn)度: 很大
氫是在已知?dú)怏w中輕的氣體。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(qiáng)。氫氣在空氣和氧氣中有很寬的可燃范圍。氫氣的燃點(diǎn)較高,但其點(diǎn)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(gè)具有意義的性質(zhì)。當(dāng)它接觸明火或遇熱時(shí)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(shí),以放熱或爆炸的方式釋放出大量的能,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很危險(xiǎn)可怕的特性。氫又是很容易擴(kuò)散和浸透的氣體,它很容易泄漏,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(shí)比空氣重,沉積在地面上,等升溫后才開始擴(kuò)散。冷氫氣遇到潮濕空氣時(shí)能形成濃霧,并由此可看出它擴(kuò)散的跡象。但在可見到的濃霧外圍仍能形成爆炸性混合物。如果氫氣云在初閃速蒸發(fā)時(shí)著火,就會(huì)產(chǎn)生火球。
氫的還原性很強(qiáng),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(shí)吸收系數(shù)a為0.0182。
5.毒性
氫氣本身沒毒,吸入后仍以原形排出。它是一種窒息劑,但是在實(shí)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(xiǎn)之外,還有被液氫冷燒傷的危險(xiǎn)。
6.防護(hù)
進(jìn)行接觸液氫的工作時(shí)要穿戴護(hù)目鏡、防護(hù)鞋襪、干凈結(jié)實(shí)的手套、抗靜電工作服等防護(hù)用品。
氣體氫要用高壓鋼瓶貯裝,液氫要用容器或槽車貯運(yùn)。搬運(yùn)容器時(shí)要嚴(yán)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建筑物或室外。存放地點(diǎn)要遠(yuǎn)離氧和氯的貯存容器,毒物、放射性材料、過氧化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(diǎn)處應(yīng)保持通風(fēng)以防氫氣停留。存放區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁煙火。可能的點(diǎn)火源有:燃著的香煙或煙葉、明火焰和電火花、焊接和切割時(shí)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(shí)所產(chǎn)生的火花、靜電排除時(shí)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(jī))等。
氫氣系統(tǒng)的設(shè)備管道要嚴(yán)格密封,嚴(yán)防泄漏或噴出??梢杂梅试硪旱缺砻婊钚圆牧咸铰?,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(bào)警裝置。
氫是強(qiáng)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(diǎn)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(kuò)散,但是跑入封閉空間的氛氣.如果不著火,則會(huì)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(shí),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(shí)也能著火。
(6)當(dāng)從容器中泄漏的氫氣著火時(shí),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。按這個(gè)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(diǎn)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)液面下降的速度很快,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很激烈,其火焰的大小增大2倍以上,輻射熱也大3倍以上。
撲滅氫火焰好的方法是切斷氣源??梢杂梅勰瓬缁饎?、霧狀水、二氧化碳、1211滅火劑、1301滅火劑等。滅火時(shí)要有一個(gè)距離,而且要站在上風(fēng)方向。火場中的氣體容器要澆水冷卻以防升溫爆炸。
液氫火災(zāi)的滅火很困難,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,需要用的滅火設(shè)備。
氫氣因其分子量小,很容易泄漏。泄漏常發(fā)生在閥門和容器的連接部、閥門的填料蓋、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(shí),先要切斷火源,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,所以能從很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)重視。當(dāng)液氫泄漏時(shí),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。