氢气性质

石油、煤炭及有机生命体等的一个要素，由两个氢原子结合在一起成为氢分子，即氢的单质。

氢是自然界中较为丰富的物质，也是应用最广泛的物质之一，是重要的工业原料，在化学工业、半导体工业及冶金工业等中均占有重要的地位，特别是在化学工业中以氢为原料可生产许多重要的化工产品。如合成氨、甲醇、精炼各种石油产品及合成多种有机化学产品，氢也可以作为燃料，是城市煤气及工业燃料的重要组成部分，大部分氢气是生产后就地消耗使用，如石油工业的制氢装置就是为了精制各种石油产品和合成各种有机化学产品。

1．1 氢气的性质

1．1．1 氢气的物理性质

氢气是一种无色无味的气体，在通常情况下其密度约为空气的十三分之一。采用制冷剂将氢气进行冷冻或高压氢气通过绝热膨胀，将温度降至其临界温度以下，压力高于临界压力，均可将氢气液化。液态氢在减压下蒸发可形成固体氢。

表1-1 气态氢的物理性质 3

密度 Kmol/cm 0.0446 焓(0℃)．S/mol·K 139.59 粘度 mPa·s 0.00834 导阻系数 mW/cm·k 1.739

表1-2 液态氢的物理性质

熔点(三相点)．K 13.947 沸点．K 20.38 临界温度．K 33.18 临界压力．kPa 1315

3

临界体积．cm/mol 66.949

3

密度．mol/cm

沸点下 0.0352

熔点下 0.0383

汽化热．J/ mol 9.1

焓．J/ mol

在三相点 28.7

沸点下 34.92

导热系数 mW/cm·K

在三相点 0.74 沸点下 1.00

表 1-3 固态氢的物理性质

熔点(三相点)．K 13.947 蒸汽压．KPa 熔点下 7.2 10KF 0.231

3

密度(熔点下)．kmol/cm43.01

熔解热(熔点下)．J/mol 117.2

升华热(熔点下)．J/mol 1028.4

焓(熔点下)．J/mol·K 20.3

导热系数(熔点下)．mW/am·K 9.0

氢气在一般溶剂中的溶解度很低。表1-4是几种常见溶剂对氢气的溶解度(25℃)。氢在气态、液态和固态都是绝缘体。

表1-4 氢气在常见溶剂中的溶解度

溶剂 溶解度 ml/L 水 19.9 乙醇 .4 丙酮 76.4 苯 75.6 1.1.2 氢气的化学性质

氢能和很多物质进行化学反应，在进行化学反应形成化合物时其价键具有特征。氢原子

+

失去其1s电子就成为H离子，实质上就是氢原子核或质子。质子的半径比氢原子的半径要小许多倍，使质子有相对很强的正电场。因此它总是和别的原子或分子结合在一起形成新的物质。如加氢反应就是将氢气加到各种化合物上的反应。如甲烷化反应：CO2＋4H2→CH4＋2H2O

1．2 氢气的制造方法及其用途

1．2．1 氢气制造方法

氢气制造包括两个过程，即含氢气造及氢气提纯。根据所需氢气的用途不同，采用不同的制造工艺，得到不同纯度的氢气。制造含氢气体的原料，目前主要是碳氢化合物，包括固体(煤)、液体(石油)及气体(天然气)。水是制造氢气的另一种重要原料，可以采用单独从水中制取氢气如电解水，也可以与碳氢化合物相结合制得氢气。下面主要叙述以碳氢化合物制造氢气的方法。

石化燃料包括煤、石油和天然气，它们都是制取氢气的基础原料。这些原料中碳氢比有很大的差别。例如天然气中碳和氢的比为1：4，石脑油为1：2.2，重油为1：1.4，煤为1：1.3。

1 煤的高温干馏(亦称焦化)。煤在隔绝空气的条件下在焦炉中加热到900～1000℃，在得到主要产物焦炭的同时，还副产许多炼焦化学产品，如煤焦油、粗苯、氨及焦炉气等。焦炉

3

气中含有大量氢气，一吨原料煤可得焦炉气(STP)为300—350m。焦炉气组成为氢55～66%(体积)，甲烷23～27%，一氧化碳5～8%，C2以上不饱和烃2～4%，二氧化碳1.5～3%，氮3～7%，氧0.3～0.8%。焦炉气在20世纪50年代以前是获取氢气的主要来源之一。

从焦炉出来的焦炉气温度在750～850℃，经冷却并脱除其中所含的煤焦油、粗苯及氮等组分。处理后焦炉气含氢约50～60%，若需进一步提纯则可采用深冷分离法、变压吸附法

等进行处理。

2 部分氧化法。是以烃类为原料制取含氢气体的方法之一。烃类与水蒸汽反应可制得氢气。

该反应为一强吸热反应，反应所需热量采用由燃烧部分原料供给，故称之为部分氧化法。

当以天然气为原料时，加入不足量的氧气，使部分甲烷燃烧为CO2和H2O并放出大量的热。

CH4＋2O2→CO2＋2H2O＋1802kJ

在高温及水蒸汽存在下，CO2及水蒸汽可与未燃烧的CH4反应，得到主要产物CO及H2，燃烧所得CO2不多，反应为强吸热反应。

CH4＋CO2→2CO＋2H2－206kJ CH4＋H2O→CO＋3H2－247kJ

综合：CH4＋0.5O2→CO＋2H2 为了防止反应过程中碳析出，需补加入一定量的水蒸汽。天然气部分氧化法可在有催化剂存在下进行，也可不用催化剂。

3 轻烃水蒸汽转化法。反应是在有催化剂存在下进行的，烃类与水蒸汽反应生成CO和H2。所用原料主要是天然气，亦可用丙烷、丁烷、液化石油气及石脑油。原料轻烃的转化反应是较强的吸热反应，故提高温度可使平衡常数增大，反应趋于完全，压力升高会降低平衡转化率，但由于原料是在压力下参与反应的，且反应产物的后加工也需在加压下进行，在转化前将原料气加压比转化后再加压在经济上更为有利，因此采用加压操作。增加水蒸汽的配比可以提高转化率，同时还可以防止或减少催化剂上积碳。合适的反应条件为：温度800～900℃，反应压力为1.5～3.0MPa，水蒸汽与原料气摩尔比为2.5～6。所得转化气体的组成为：甲烷3～8%(体积)，一氧化碳7～8%，二氧化碳10～15%，氢气70%左右，采用催化剂(一般为镍催化剂)，该催化剂一般含15～25%的NiO，以硅酸铝为载体。在反应前将NiO还原为金属镍。对原料中砷含量有严格的，以免使催化剂中毒失活。

4 炼油厂及石油化工厂副产氢气。在石油炼制过程中副产炼厂气中含有氢气成分。炼厂气来源于各石油加工过程，如催化裂化、热裂化、焦化、加氢裂化及催化重整等过程。不同来源的炼厂气其组成各不相同，其中氢含量也不同，如催化重整气体中含氢量很高，是炼油厂提供氢气的重要来源。表1-5是各种炼油加工过程中气体组成。

表1-5 各种炼油过程中气体组成

炼油过程催化重整 催化裂化 加氢裂化 加氢精制 焦化热裂化 气体组成 %（重量）

氢气 15.4 0.1 1.4 3.0 0.6 0.4 甲烷 9.0 3.2 21.8 24.0 35.6 14.7 乙烷 20.0 4.1 4.4 70.0 20.7 22.8 乙烯 2.8 2.7 4.4 丙烷 27.7 7.3 15.3 3.0 13.4 20.5 丙烯 20.2 5.1 14.8 丁烷 27.9 22.9 57.1 5.6 10.8 乙烯 30.5 3.8 4.2

其他 8.9 12.5 7.4

催化重整反应一般是以石脑油馏分为原料生产高辛烷值汽油或生成芳烃。其化学反应中

包括了环烷烃脱氢及烷烃脱氢环化等主要反应。因此在生产芳烃产物的同时得到大量氢气。