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摘要：氢气在化工行业、航天技术等很多领域都有着重要的应用价值，氢气的实验室制取及性质实验也成为这些领域的重点关注方向。目前我国很多领域都积极建设氢气站、开展供氢站设计等，我国也针对氢气站等的建设提出了很多标准规范要求，颁布了相关的文件等。本研究将针对连云港润众制药招标文件的要求，为其氢气的实验室制取及性质实验基地的建设提供设计思路，以优化实验室的建设质量，为氢气的制取、性质实验更好开展奠定基础。

关键词：氢气；实验室制取；性质实验；探究

引言

根据我国《氢气站设计规范（GB50177-2005）》等文件的要求，氢气作为一种可燃性气体，一旦出现着火或爆炸，有着较宽的波及范围，因此给氢气站的安全性提出了更高的要求，需要科学设计实验室建筑结构的构造、优化设备的选择、优化设计氢气管道、加强给排水及消防设施建设等，以保证氢气的制取安全。我公司诚创智能科技（江苏）有限公司作为一家开展特种设备设计、制造，开展建设工程设计和施工，以及气体、液体分离及纯净设备制造和销售等的企业，将针对连云港润众制药新研发楼气体管路系统的建设提供设计方案，为研发楼中氢气的实验室制取及性质实验的优化提供建议。

一、氢气实验室的建设要求

（一）实验室建设要求

根据氢气的可燃性、爆炸波及范围广等特点，对氢气实验室内气体输送管道、气体设备安装、气体的泄露侦测等都提出了很高的要求。如表1所示，对氢气实验室内氢气输送管道、实验室内气体的检测等都提出了相应的建设要求。根据连云港润众制药新研发楼气体管路系统的建设要求，指出氢气要利用单钢瓶特殊气体智能安全输送柜供应，纯度大于99.999%，以保证氢气实验室提取效果。

1.气体管路设备要求

氢气实验室制取必然需要实验室具备气体管路设备，以保证实验中气体的传送。根据建设要求，氢气实验室制取的气体管理要采用不锈钢316L材质的钢瓶接头，并采用能够承压3000PSI以上的高压软管，保证气体的顺利传送，采用不锈钢316材质的隔膜阀，减少氢气传送过程中的气体泄露。气体管路设备还需要配备相应的管道、接头等，还要加强气体泄露的检测，安装具有较高灵敏度的气体泄露报警系统，一旦发现气体的不规则泄露，进行及时的阀门关闭、报警等，保证实验室的安全[1]。

2.智能安全输送柜的参数要求

根据氢气站的建设规定，智能安全输送柜的安装受到了广泛的关注，要求通过及时的气体吹扫、切换、切断等装置，保证氢气的安全输送。目前市面上的智能安全输送柜主要是在信息化PLC技术的控制下，通过人机界面的操控，以保证设备的的安全运行。安全输送柜的柜体要充分结合氢气的易燃、爆炸的波及面较广等特点，采用具有抗腐蚀性的材质进行设计，比如可以利用2.5mm的冷轧钢板，并配备具有抗腐蚀性的居酯粉进行柜体材质的优化；而智能化安全输送柜的操作界面要充分展示柜体面板的压力情况、系统的运行状态、阀门的运行状态等，并配备相应的报警系统，保证在出现气体的泄露时，及时报警处理，减少安全隐患。

3.PLC控制系统

PLC控制系统是氢气的实验室制取及性质实验中气体泄露侦测、报警等系统的重要核心系统，当智能化系统侦测到氢气的泄露问题时，系统会向PLC控制系统发送报警信号，通过远程的操作控制，结合气体泄露的位置、特点等，及时采取应急措施，可以远程操作电磁阀闭合气动阀，及时切断气体的继续传送，减少气体的泄露；或者通过打开风机的形式，将气体排放到室外；或者利用排放阀进行换气等。除此之外，还会给氢气站的工作人员发出预警，工作人员也会结合氢气的泄露位置、特点等做出相应的解决措施，在保证实验安全的同时，也减少因气体泄露造成的安全隐患、成本损失等。

4.钢瓶紧急启闭系统

钢瓶紧急启闭系统作为及时切断气体的泄露、流失等的核心环节，是保护氢气实验室制取安全性的重要装置。根据我国相关文件正常的要求，一般需要安装两套钢瓶紧急启闭系统，以有效的应对可能发生的氢气泄露、火灾等安全隐患。一般情况下，钢瓶紧急启闭系统包括紧急关闭阀门、紧急切断装置、气体泄露报警装置、排气装置等。

（二）可行性方案

氢气的实验室制取及其性质的的探究属于化学工艺方面的项目，其设计、造价、设备安全等皆要符合国家基本建设的方针政策，尤其是保证其安全环保、节约能源，保护环境等，以满足生产要求、技术先进、经济合理等要求。

1.化工安全角度分析可行性

氢气的实验室制取作为一项重要的化工实验操作，使用的相关化工设备包括氢气站、供氢站、氢气罐等设施，全部分布于工厂，为了保证化工安全，这些设备的安装、安置需要常年最小频率风向的下风侧，且远离明火或易散发火花的地点，还需要有专门负责人员检查，及时发现并解决安全隐患。这些实验操作设备还要独立分布，远离人群与主要交通要道，四周采用不燃或不易燃材料进行围墙的建设，在条件允许的情况下，还需要留有一部分用做扩建。

2.操作可行性

氢气的实验室制取需要专业的操作人员实施，操作人员需要经过专业培训，且有一定的经验，常年从事化工实验操作，以保证操作的准确性、氢气制取的安全性等。

3.设备可行性

氢气的实验室制取需要利用专业的设备、材料等，以保证气体制取的纯净度、输送的安全性等，因此给设备的质量、使用稳定等都提出了更高的要求，需要定期的设备维护和保养，以减少因设备损坏造成的氢气制取纯净度不足、制取中断等问题。而且，随着现代信息技术、科技等的发展，各种智能化、数字化的仪器设备更新，也给氢气的实验室制取提供了支持，需要及时更新相关的设备。

4.资金可行性

氢气的实验室制取需要资金、材料等的支持，因此相关的企业要为实验室的设备更新、专业人才培养等提供必要的资金支持，以保证实验操作的可行性。

（三）注意事项

氢气作为一种易燃、爆炸后波及面较广的特殊气体，实验的过程中需要避免与明火、火源的接触，因此实验室的建设时要加强明火的控制。

氢气的实验室制取，会从一定程度上出现氢气的积聚，因此要加强气体输送管道的科学管理，保证气体的及时输送。

氢气的实验室制取中，气体作为一种可不直观观察到的物质，需要安装严密性较高的气体收集、输送装置，减少氢气的泄露。

氢气的实验室制取主要是利用NaOH溶液和锌粉，或甲醇、电解水、石油天然气等物质，在完成实验室制取氢气后，要妥善的处理废弃物，保证实验室的卫生、安全，并调整实验设备参数，保证后期实验的正常使用[2]。

氢气的实验室制取及性质实验必然需要严格的实验室使用规范、安全制度，实验人员要在实验室安全规定的限制下，规范操作实验。

（四）实验条件

实验条件的探究应该考虑设备条件调整参数，实验环境等。

水电解制氢系统装置条件：制取氢气时，在实验过程中应该维持水电解槽出口氢气与氧气之间存在一定差值以小于0.5kpa为宜。对应于原料水制备装置，应保持原料水泵出口压力与制氢系统工作压力相适应。回收电解氧气时自动分析仪和手工分析仪同时工作使用，并根据需要设计氧中氢超浓度报警装置变压吸附提纯系统设置，应考虑以下因素，拟用原料气的压力、组成、杂质的含量，产出的氢气压力、纯度和杂质的含量。氢气的使用连续性、是否能负荷变化的状况。除此之外还应该考虑技术经济因素。当氢气用气设备对氢气含尘量有要求时，应在送氢管道上设置相应精度的气体过滤器。各类制氢系统、供氢系统，均应设有含氧量小于0.5%的氮气置换吹扫设施[3]。

各类制氢系统中的氢气纯化设备，应根据纯化前后的氢气压力、纯度及杂质含量和纯化用材料的品种、活化与再生方法等确定。

实验环境由于氢气的特性方面问题：氢气站内应将有爆炸危险的房间集中布置。有爆炸危险房间不应与无爆炸危险房间直接相通应该存在一定空间。如果必须相通时，应以走廊相连或设置双门斗。制氢间、氢气纯化间、氢气压缩机间的电气控制盘、仪表控制盘的布置，宜布置在相邻的控制室内且应以防火墙隔开。

二、氢气的实验室制取及性质实验方案

（一）探究目标

通过实验操作，了解氢气的制取方法及相关的反应原理等。

通过氢气的制取实验，明确氢气的积聚情况，以及氢气的可收集性。

在氢气的制取后，分析氢气的燃烧性质、密度等性质

（二）氢气的实验室制取思路

如图1所示，本研究主要利用活泼金属与酸制取氢气的方式，探究氢气制取的相关反应原理，材料的准备主要以实验中所需的活泼金属：镁片、铝片、锌粒、铁粒、铜片，以及1：4的稀硫酸、6mol/L的稀盐酸等材料进行氢气的制取，并配合试管、酒精灯、集气瓶、小烧杯、干燥管、蒸发皿、弯导管、金属导管、塑料瓶、玻璃纤维等实验必备的材料等。在制取实验完成后，利用向上排气法、向下排气法、排烟法、排水法等方法，检验出氢气的纯度，并利用吹肥皂泡、燃烧、爆鸣、还原氧化铜等形式，对氢气的物理性质和化学性质进行分析比较，从而得出实验室制取及性质实验结果。

实验结果：

通过开展氢气的制取实验，发现：第一，氢气的密度约为0.0899g/L，比空气的密度低；第二，氢气是一种难溶于水的气体；第三，当提取的氢气纯度不高时，点燃氢气时会发出一些爆鸣声；第四，在对氢气进行加热的情况下，氢气可以使黑色的氧化铜转变为红色[4]。

而实验所得到的结果也发现，氢气除具有易燃、爆炸波及面大等特点外，氢气还是一种较轻的气体，而且是一种具有还原性的气体。

结语

综上所述，氢气的实验室制取及性质实验作为化工类行业的重要实验方案，根据我国氢气站建设标准等文件的要求，氢气作为一种可燃性、爆炸后波及较广的危险气体，对其制取实验室的场地、设备、材料等质量都提出了较高的要求，尤其是气体的传送管道、气体泄露报警等装置等，都需要配备严密性高、稳定性高、安全性高的设备和器材，以保证气体输送的稳定，减少因气体泄露等造成的安全隐患和经济损失等。除此之外，企业还要完善氢气站的给排水装置、消防设施等，以保证实验安全，更好的顺应我国对安全生产、绿色生产等的要求。

参考文献

[1]周诗良.基于核心素养培养的高中化学常见气体实验室制法教学[J].学园，2023，16（24）：54-56.

[2]吴旖旎，吴永才.“氢气的制取与性质”系列实验的新设计[J].化学教与学，2022，（12）：87-89.

[3]高霞.例谈气体的实验室制取和净化[J].理科考试研究，2018，25（10）：58-60.

[4]郑琳，王小玲，衷明华.实验室中氢气的制取与还原性实验的改进[J].中学化学教学参考，2016，（16）：50.