氢气的应用

氢气的应用

前言

中国的产氢量偏少，氢气价格偏贵。甲醇水蒸气转化制氢技术在我国的工业化应用始于1995年，推广十分迅速。该工艺流程简单，操作条件较温和，运行也较为可靠。未反应的甲醇和水可循环使用，考虑定期少量的排放和漏损，原料的利用率在95%以上。蓝博净化科技有限公司提供的甲醇裂解制氢装置，其主体设备均为简单常见的化工设备，无需使用特殊材质，操作维护较为简便。与同类装置相比，蓝博的甲醇蒸汽转化工艺在催化剂性能的改善，工艺流程、设备布置、设备形式和结构的优化，自动化水平的提高，装置运行稳定性、可靠性、安全性的加强等方面做了很大的改善。

氢气的应用领域很广，其中用量最大的是作为一种重要的石油化工原料，用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应。此外，在电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细化工合成、航空航天工业等领域也有应用。我国氢气主要是作为化工合成的中间产品和原料。

一、氢气在合成氨工业的应用

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

我国工业制氢50～60%用在了合成氨工业，理论上生产1t合成氨需要1976Nm3的氢气。氢源主要是无烟煤或焦炭与水蒸汽在高温时反应所得水煤气经净化、提纯所得的氢气。或从天然气、石油炼制厂的副产气体、油田气中转化、分析制备氢气。

二、石油催化加氢

石油催化加氢是指石油馏分（包括渣油）在氢气存在下催化加工过程的通称。石油加氢技术是石油产品精制、改质和重油加工的重要手段，可以反映炼油水平高低。加氢过程按照生产目的的不同可分为：

（1）加氢精制

石油的加氢精制，目的是除去油品中的硫、氮、氧等杂原子及金属杂质，并对部分芳烃或烯烃加氢饱和，改善油品的使用性能。

加氢精制可用于汽油、煤油、柴油、润滑油、石蜡油、各种中间馏分油、重

油及渣油的精制。此外，氢气还可以用于喷气燃料中芳烃的部分加氢饱和，燃料油的加氢脱硫，渣油脱重金属及脱沥青预处理等。

各种油品加氢精制工艺流程基本相同（见图），原料油与氢气混合后，送入加热塔加热到规定温度，再进入装有催化剂的反应器一般为固定床反应器）中。反应完成后，氢气在分离器中分出，并经压缩机循环使用。产品则在稳定塔中分出硫化氢、氨、水以及在反应过程中少量分解而产生的气态氢。

精制原理：

1）脱硫 硫醇脱硫： 硫醚脱硫： 二硫化物脱硫：

噻吩脱硫： S

H RH RSH H RSSR 2222+→→+S

H RH H RSH 22+→+S

H RH H R H R RS 22++'→+'S

H RSR 2+

S

+3H2

S

H2

C

4

H

9

SH

H2

C

4

H

8

+SH

2

C

4

H

10

H2

2）脱氮

胺脱氮：3

2

2NH

RH

NH

R H+

−→

−

-

吡咯脱氮：

N

3H2

N

H

H2

C

5

H

11

NH

2

C

5

H

12

+NH

3吡啶脱氮：

N

H

H2

N

H

H2C

4

H

9

NH

2

H2

C

4

H

10

+NH

3 N

H2C2H5+NH

3

吲哚脱氮：

喹啉脱氮：

N

H2

N

H

H2C3H7

NH

2

H2C3H7+NH

3

N

H2

N

H

H2C3H7+NH

3

3）脱氧

环烷酸脱氧：

酚类脱氧： 呋喃脱氧：O H2C 4H 10+H 2O

4）烯烃和芳烃的加氢饱和 在加氢条件下，大部分烯烃与氢气反应生成烷烃，多环芳香烃可以部分加氢饱和。

5)加氢脱金属

原料油中的金属镍和钒主要以卟啉类化合物和非卟啉类化合物的形式存在，这两种化合物的结构相当复杂，在这种大分子结构中，不仅含有金属，同时还含有硫和氮等杂质。加氢脱金属反应要经过以下历程：渣油分子从液相扩散到催化剂表面、从催化剂表面扩散到催化剂孔道内、吸附到活性中心进行反应、反应产物从活性中心脱附、从催化剂孔道内扩散到催化剂表面、从催化剂表面扩散到液相，从而达到脱金属的目的。

（2）加氢裂化

1）烷烃的裂化：

烷烃加氢裂化反应的通式可表示为：

2)(22222+--+++−→−+m n m n m m n n n H C H C H H C

2）烷烃的异构化：

烷烃的加氢异构化就是原料分子结构的裂解重整和产物分子结构的重整。

3）烯烃加氢

烯烃加氢主要是生成饱和烷烃和进行重整异构化。大分子烯烃可以再裂解生成小分子烯烃然后再加氢饱和。

4）芳香烃加氢

多环芳烃分步进行反应，先加氢成环烷芳烃，在开环成为单烷基芳烃，再按单芳烃加氢裂化过程进行反应。例如苯加氢生成六元环烷烃，再异构化，重整为无元环烷烃，五元环烷烃载开环，或侧链断裂生成其他烃类，反应式如下。

（3）渣油加氢炼化

渣油加氢处理技术指较重的原料油在较苛刻条件下，发生一定转化反应的加氢工艺过程。中国石油化工股份有限公司，所属抚顺石油化工研究院，从80年代中期开始，进行此项技术的探索，经过十几年努力，终于开发出我国自己的新型渣油加氢处理技术。技术包括渣油加氢脱硫，重馏分油加氢脱硫，催化裂化原料和循环油加氢预处理以及中间馏分油加氢处理等。目的是为了除去原料中的毒性组分（硫、氮、重金属等），并且将碳氢比较高的的渣油转化为较为纯净的碳氢比较低的轻组分和柴油等。

（4）润滑油加氢

使润滑油的组分发生加氢精制和加氢裂化等反应，使一些非理想组分结构发生变化，以脱除杂原子和改善润滑油的使用性能。

三、氢气在电子工业的应用

在晶体的生长与衬底的制备、氧化工艺、外延工艺中以及化学气相淀积（CVD）技术中，均要用到氢气。半导体工业对气体纯度要求极高。纯氢和高纯氢是电子工业用氢的普遍标准。蓝博进化科技有限公司开发甲醇裂解制氢，经PSA提纯，所产氢气完全可以达到标准。

（1）晶硅的制备需要用到氢，当硅用氯化氢生成三氯氢硅SiHCl3后，经过分馏工艺分离出来，在高温下用氢还原，达到半导体需求的纯度，反应过程为：

SiHCl3 + H2→Si + 3HCl