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(液)氢的理化学特性

 更新时间:2023-06-09    点击量:668
文章涉及到液氢的不同形态,比较专业,请耐心阅读!


氢是元素周期表上的一号元素,是宇宙中简单、丰富、轻的物质然而,H2自然地与其他元素(碳和氧)成键,在自由状态下是无法发现或者独立存在的氢气生产的主要原料包括天然气(49%)、原油(29%)、煤(18%)和电解(4%)。下图1展示了不同的制氢技术:
图1 :各种制氢技术
目前,重整(碳氢化合物/醇)、气化(煤/化石燃料)和部分氧化(化石燃料)在氢气生产技术中占有最重要的份额。这些技术面临的主要挑战是对周围环境的高SEC(比能量消耗)和二氧化碳排放。电化学电解水的规模仍在扩大,可与无碳源(潮汐/太阳能/风能/地热等可再生能源)结合,以提供一个生态友好的系统电化学系统,如铜-氯、氯化镁、铁-氯、锌-硫-碘、和钒-氯以及通过生物方法制备的生物-H2,是未来生产H2比较有前途的工艺。


它的同位素,包括氘(D或2H)和氚(T或3H),是由氢与中子轰击产生的放射性物质,表1给出了H2的一些主要物理性质:


表1:氢的物理性质


H2分子体积小、质量轻(van der Waals半径为120 pm,摩尔质量为1.00794 g/ mol),扩散速率较高(0.61 cm2 /s),与汽油或柴油燃料相比,它低下热值的重量能量(密度)含量几乎是汽油或柴油的三倍,但每单位体积的能量密度较低,这意味着它提供相同能量所需的空间大约是汽油的四倍,这种无味无色的能源只产生水蒸气和大量的热量,不排放温室气体,使这种无毒气体成为一种很有前途的绿色燃料。此外,H2的研究表明其闪点相对高于目前的化石燃料,这关系到它的抗爆特性。H2的闪点为- 231℃,是常规燃料中闪点低的。

气态H2的密度低于液态H2的密度。因此,气态H2的运输需要大型高压储罐,由于储罐的阻力,这是不合理的。然而,特殊的液氢储罐可以解决氢气的运输问题,特别是长距离运输。

也可以利用氢气液化结构用于各种高能源需求行业的调峰,尽管液化储存系统有许多优点,但应该强调的是,这些技术面临着许多挑战,例如效率低下,经济费用高,缺乏创造性的技术进步。

H2分子由两个质子和两个电子组成。如果两个电子的旋转方向是反平行的,它们就会驱使分子进入成键状态。因此,有两组H2分子基于反平行(I = 0)和平行(I = 1)核自旋。H2分子的态数由原子核自旋态(2I + 1)的关系决定,其中I是原子核自旋的量子数,等于1/2。假设数为α= +1/2、和β= -1/2,则邻位H2的核自旋量子数为I =(1/2+1/2) = 1 对于正H2, 分子形态有三种状态。在对H2中,核自旋量子数为I =(1/2-1/2) = 0,因此只有一种状态。因此,在环境温度下(即75%正氢- 25%的仲氢),正氢数量是仲氢的3倍。下图3显示了邻位和仲氢中平行和反平行自旋的图形布局:



图3:正氢和仲氢中平行和反平行核自旋的图解


H2分子的这两种状态在化学性质上是相同的,但在物理性质上不同。仲氢的沸点和熔点比普通H2低0.1 K。通过将温度降低到H2的正常沸点(21.2 K),可以产生大约99.9%的仲氢。在它的自然状态下,正氢倾向于在很长一段时间内缓慢冷却,导致保留的液态氢蒸发并成为废物。正氢到仲氢的转化发生在从邻位三重态到对单重态的跃迁过程中,在正常状态下这种跃迁非常缓慢,并且在这个过程中花费更多的时间。


采用氧化钠、铁(III)、镍、铬、锰、顺磁性金属、磷化氢铑配合物、三苯基钾配合物和钌等催化剂可提高突变和转化率,能量等级高于仲氢的正氢是一种激发态。此外,具有较低表面能量的仲氢在较低温度下容易形成,正氢到仲氢的转化是放热的,与温度有关。因此,当储存液氢时,一些H2被浪费了,这被称为蒸发气体。因此,正氢到仲氢的转化对于远距离运输中的LH2生成和减少IBOG损失至关重要。通过将正常的H2储存在罐中,转化焓在罐中释放,导致液H2损失。在转化反应堆中发生的反应列示为:

说明:正氢→仲氢+热量

转化率取决于反应温度,如式2所示:

转换系数可以用实验信息来定义一级反应的体积速率常数kv( mol /cm3.s )由式3求得:

式中,n、V、C0分别为进料摩尔流量(mol/s)、催化剂体积(cm3)和初始浓度,参数C、Ceq分别为达到浓度和平衡浓度。采用三种不同的反应器,包括绝热和等温转换和连续转换,进行正氢到对仲氢的反应转换。绝热转化器易于实现,但它提高了换热器后的流动温度,并且需要大量床层,这导致温度和成本升高,热效率降低。等温转化器用于消除绝热反应器中的流动温度升高,但这种方法增加了液化过程中所需的设备,从而增加了操作和资本成本各变换器的工作原理如图4所示。与等温法和绝热法相比,连续转换效率高。


图3:参与正氢到对仲氢转化的反应器

通过增加正氢到仲氢转化的级数,降低了氢气液化循环的SEC。从个反应器到第二个反应器,通过增加正氢到仲氢的转化阶段来降低SEC的斜率是快速完成的,而从第二个反应器开始,它是缓慢完成的。



文章来源:氢眼所见

注:已获得转载权

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