Пропан ( / ˈ p r oʊ p eɪ n / ) — трёхуглеродный алкан с молекулярной формулой C 3 H 8 . При стандартной температуре и давлении это газ , но его можно сжимать до состояния транспортабельной жидкости. Побочный продукт переработки природного газа и переработки нефти , он часто входит в состав сжиженного нефтяного газа (СНГ), который обычно используется в качестве топлива в бытовых и промышленных целях, а также в общественном транспорте с низким уровнем выбросов; другие компоненты СНГ могут включать пропилен , бутан , бутилен , бутадиен и изобутилен . Открытый в 1857 году французским химиком Марселеном Бертело , он стал коммерчески доступен в США к 1911 году. Пропан имеет более низкую объёмную плотность энергии, чем бензин или уголь, но имеет более высокую гравиметрическую плотность энергии, чем они, и сгорает более чисто. [6]
Пропановый газ стал популярным выбором для барбекю и переносных печей, поскольку его низкая температура кипения -42 °C позволяет ему испаряться внутри контейнеров с жидкостью под давлением (он существует в двух фазах, пар над жидкостью). Он сохраняет свою способность испаряться даже в холодную погоду, что делает его более подходящим для использования на открытом воздухе в холодном климате, чем альтернативы с более высокими температурами кипения, такие как бутан. [7] Сжиженный нефтяной газ используется в автобусах, погрузчиках, автомобилях, подвесных лодочных моторах и машинах для заливки льда , а также используется для обогрева и приготовления пищи в транспортных средствах для отдыха и кемпингах . Пропан становится популярным в качестве заменяющего хладагента (R290) для тепловых насосов, поскольку он обеспечивает большую эффективность, чем текущие хладагенты: R410A / R32, более высокую теплоотдачу и меньший ущерб атмосфере от выделяющихся газов - за счет высокой воспламеняемости газа. [8]
Пропан был впервые синтезирован французским химиком Марселеном Бертело в 1857 году во время его исследований по гидрогенизации . Бертело получил пропан путем нагревания дибромида пропилена (C 3 H 6 Br 2 ) с иодидом калия и водой. [9] [10] : стр. 9, §1.1 [11] Эдмунд Рональдс обнаружил растворенный пропан в легкой сырой нефти Пенсильвании в 1864 году. [12] [13] Уолтер О. Снеллинг из Горного бюро США выделил его как летучий компонент бензина в 1910 году, что ознаменовало «рождение пропановой промышленности» в Соединенных Штатах. [14] Летучесть этих легких углеводородов привела к тому, что их стали называть «дикими» из-за высокого давления паров неочищенного бензина. 31 марта 1912 года газета The New York Times сообщила о работе Снеллинга со сжиженным газом, заявив, что « стальной баллон вмещает достаточно газа , чтобы освещать обычный дом в течение трех недель» [15] .
Именно в это время Снеллинг — в сотрудничестве с Фрэнком П. Петерсоном, Честером Керром и Артуром Керром — разработал способы сжижения сжиженных газов во время очистки бензина. [14] Вместе они основали American Gasol Co., первого коммерческого продавца пропана. Снеллинг произвел относительно чистый пропан к 1911 году, и 25 марта 1913 года его метод обработки и производства сжиженных газов получил патент № 1,056,845. [14] Отдельный метод производства сжиженного газа путем сжатия был разработан Фрэнком Петерсоном, и его патент был выдан 2 июля 1912 года. [16]
В 1920-х годах наблюдалось увеличение производства сжиженного нефтяного газа, и в первый год зарегистрированного производства в 1922 году было зафиксировано общее количество 223 000 галлонов США (840 м 3 ). В 1927 году годовой объем продаж сжиженного нефтяного газа достиг 1 миллиона галлонов США (3800 м 3 ) , а к 1935 году годовой объем продаж сжиженного нефтяного газа достиг 56 миллионов галлонов США (210 000 м 3 ). Основные разработки в отрасли в 1930-х годах включали внедрение железнодорожных цистерн для транспортировки, одоризацию газа и строительство местных заводов по розливу в бутылки. 1945 год стал первым годом, когда годовые продажи сжиженного нефтяного газа достигли миллиарда галлонов. К 1947 году 62% всех домов в США были оборудованы либо природным газом, либо пропаном для приготовления пищи. [14]
В 1950 году 1000 автобусов, работающих на пропане, были заказаны Чикагским транзитным управлением , а к 1958 году продажи в США достигли 7 миллиардов галлонов США (26 000 000 м 3 ) в год. В 2004 году сообщалось, что это растущая отрасль с оборотом от 8 до 10 миллиардов долларов, при этом в США ежегодно потребляется более 15 миллиардов галлонов США (57 000 000 м 3 ) пропана [17]
Во время пандемии COVID-19 в США был зафиксирован дефицит пропана из-за возросшего спроса. [18] [19] [20]
Корень « проп- », встречающийся в слове «пропан» и названиях других соединений с трехуглеродными цепями, произошел от слова « пропионовая кислота » [21] , которое, в свою очередь, было названо в честь греческих слов protos (что означает «первый») и pion (жир), поскольку это был «первый» член ряда жирных кислот . [22]
Пропан — бесцветный газ без запаха. Этилмеркаптан добавляется в качестве меры предосторожности в качестве одоранта [ 23] и обычно называется запахом «тухлого яйца». [24] При нормальном давлении он сжижается ниже точки кипения при −42 °C и затвердевает ниже точки плавления при −187,7 °C. Пропан кристаллизуется в пространственной группе P2 1 /n. [25] [26] Низкая заполняемость пространства 58,5% (при 90 К) из-за плохих свойств укладки молекулы является причиной особенно низкой температуры плавления.
Пропан подвергается реакциям горения аналогично другим алканам . В присутствии избытка кислорода пропан сгорает с образованием воды и углекислого газа . Когда кислорода недостаточно для полного сгорания, также образуются оксид углерода , сажа ( углерод ) или и то, и другое: Полное сгорание пропана производит около 50 МДж/кг тепла. [27]
Сгорание пропана намного чище, чем сгорание угля или неэтилированного бензина. Выработка пропаном CO2 на BTU почти такая же низкая, как и у природного газа. [28] Пропан горит жарче, чем печное топливо или дизельное топливо из-за очень высокого содержания водорода. Наличие связей C–C , а также множественных связей пропилена и бутилена , производят органические выхлопы, помимо углекислого газа и водяного пара во время обычного сгорания. Эти связи также заставляют пропан гореть с видимым пламенем.
Энтальпия сгорания пропана, при которой все продукты возвращаются в стандартное состояние, например, когда вода возвращается в жидкое состояние при стандартной температуре (известное как высшая теплота сгорания ), составляет (2219,2 ± 0,5) кДж/моль или (50,33 ± 0,01) МДж/кг. [27]
Энтальпия сгорания пропана, когда продукты не возвращаются в стандартное состояние, например, когда горячие газы, включая водяной пар, выходят через дымоход (известная как низшая теплота сгорания ), составляет −2043,455 кДж/моль. [29] Низшая теплота сгорания — это количество тепла, получаемое при сжигании вещества, когда продукты сгорания выбрасываются в атмосферу; например, тепло от камина, когда дымоход открыт.
Плотность пропана при 25 °C (77 °F) составляет 1,808 кг/м3 , что примерно в 1,5 раза больше плотности воздуха при той же температуре. Плотность жидкого пропана при 25 °C (77 °F) составляет 0,493 г/см3 , что эквивалентно 4,11 фунта на галлон жидкости США или 493 г/л. Пропан расширяется на 1,5% на 10 °F. Таким образом, жидкий пропан имеет плотность приблизительно 4,2 фунта на галлон (504 г/л) при 60 °F (15,6 °C). [30]
Поскольку плотность пропана изменяется в зависимости от температуры, этот факт необходимо учитывать каждый раз, когда применение связано с операциями по обеспечению безопасности или коммерческому учету. [31]
Пропан — популярный выбор для барбекю и переносных печей, поскольку низкая температура кипения −42 °C (−44 °F) заставляет его испаряться сразу после выпуска из баллона под давлением. Поэтому не требуется карбюратор или другое испарительное устройство; достаточно простого дозирующего сопла.
Смеси чистого, сухого «изопропана» [изобутан/пропановые смеси пропана (R-290) и изобутана (R-600a)] могут использоваться в качестве циркулирующего хладагента в соответствующим образом сконструированных компрессорных холодильных установках. [32] По сравнению с фторуглеродами, пропан имеет незначительный потенциал истощения озонового слоя и очень низкий потенциал глобального потепления (имея значение ПГП 0,072, [33] в 13,9 раза ниже ПГП диоксида углерода) и может служить функциональной заменой для R-12 , R-22 , R-134a и других хлорфторуглеродных или гидрофторуглеродных хладагентов в обычных стационарных системах охлаждения и кондиционирования воздуха. [34] Поскольку его влияние на глобальное потепление гораздо меньше, чем у современных хладагентов, пропан был выбран в качестве одного из пяти заменяющих хладагентов, одобренных Агентством по охране окружающей среды в 2015 году для использования в системах, специально разработанных для работы с его воспламеняемостью. [35]
Такая замена широко запрещена или не рекомендуется в системах кондиционирования воздуха автомобилей на том основании, что использование легковоспламеняющихся углеводородов в системах, изначально предназначенных для перевозки негорючего хладагента, представляет значительный риск возгорания или взрыва. [36]
Продавцы и сторонники углеводородных хладагентов выступают против таких запретов на том основании, что таких инцидентов было очень мало по сравнению с количеством систем кондиционирования воздуха транспортных средств, заполненных углеводородами. [37] [38]
Пропан также играет важную роль в обеспечении автономного охлаждения, выступая в качестве источника энергии для газового абсорбционного холодильника , и широко используется в кемпингах и автофургонах.
Также было предложено использовать пропан в качестве хладагента в тепловых насосах . [39]
Поскольку его можно легко транспортировать, он является популярным топливом для домашнего отопления и резервного производства электроэнергии в малонаселенных районах, где нет газопроводов. В июне 2023 года исследователи из Стэнфорда обнаружили, что при сгорании пропана выделяются обнаруживаемые и повторяющиеся уровни бензола, которые в некоторых домах повышают концентрацию бензола в помещениях выше общепризнанных показателей здоровья. Исследование также показывает, что газ и пропановое топливо, по-видимому, являются доминирующими источниками бензола, образующегося при приготовлении пищи. [40]
В сельских районах Северной Америки, а также в северной Австралии пропан используется для обогрева животноводческих помещений, в зерносушилках и других теплопроизводящих приборах. При использовании для отопления или сушки зерна он обычно хранится в большом, постоянно размещенном баллоне, который заправляется грузовиком, доставляющим пропан. По состоянию на 2014 год [обновлять]6,2 миллиона американских домохозяйств используют пропан в качестве основного топлива для отопления. [41]
В Северной Америке местные грузовики для доставки со средним размером баллона 3000 галлонов США (11 м 3 ) заполняют большие баллоны, которые постоянно установлены на объекте, или другие сервисные грузовики обменивают пустые баллоны пропана на заполненные баллоны. Большие тягачи с прицепами со средним размером баллона 10 000 галлонов США (38 м 3 ) перевозят пропан из трубопровода или НПЗ на местный нефтебазовый завод. Автоцистерна с бобтейлом не является уникальной для североамериканского рынка, хотя эта практика не так распространена в других местах, и такие транспортные средства обычно называют цистернами . Во многих странах пропан доставляется конечным потребителям в отдельных баллонах небольшого или среднего размера, в то время как пустые баллоны вывозятся для заправки в центральном пункте.
Существуют также общественные системы пропана с центральным баллоном, снабжающим отдельные дома. [42]
В США более 190 000 дорожных транспортных средств используют пропан, и более 450 000 погрузчиков используют его в качестве топлива. Это третье по популярности транспортное топливо в мире, [43] после бензина и дизельного топлива . В других частях света пропан, используемый в транспортных средствах, известен как автогаз. В 2007 году около 13 миллионов транспортных средств по всему миру использовали автогаз. [43]
Преимущество пропана в автомобилях заключается в его жидком состоянии при умеренном давлении. Это обеспечивает быструю заправку, доступную конструкцию топливного баллона и диапазон цен, как правило, чуть более половины от бензина. Между тем, он заметно чище (как в обращении, так и при сгорании), приводит к меньшему износу двигателя (из-за отложений углерода) без разбавления моторного масла (часто увеличивая интервалы замены масла), и до недавнего времени [ когда? ] был относительно недорогим в Северной Америке. Октановое число пропана относительно высокое и составляет 110. В Соединенных Штатах инфраструктура заправки пропаном является наиболее развитой из всех альтернативных видов автомобильного топлива. Многие переоборудованные автомобили имеют возможность дозаправки из «баллонов для барбекю». Специально построенные автомобили часто находятся в коммерческих автопарках и имеют частные заправочные станции. Еще одной экономией для операторов транспортных средств на пропане, особенно в автопарках, является то, что кража намного сложнее, чем в случае с бензином или дизельным топливом.
Пропан также используется в качестве топлива для небольших двигателей , особенно тех, которые используются в помещениях или в местах с недостаточным количеством свежего воздуха и вентиляции для удаления более токсичных выхлопных газов двигателя, работающего на бензине или дизельном топливе. Совсем недавно, [ когда? ] появились устройства для ухода за газонами, такие как триммеры , газонокосилки и воздуходувки, предназначенные для использования на открытом воздухе, но работающие на пропане, чтобы уменьшить загрязнение воздуха . [44]
Многие большегрузные грузовики используют пропан в качестве наддува, где он добавляется через турбокомпрессор для смешивания с каплями дизельного топлива. Очень высокое содержание водорода в каплях пропана помогает дизельному топливу сгорать горячее и, следовательно, более полно. Это обеспечивает больший крутящий момент, большую мощность и более чистый выхлоп для грузовиков. Нормально, что 7-литровый дизельный двигатель грузовика средней грузоподъемности увеличивает экономию топлива на 20–33 процента при использовании системы наддува пропаном. Это дешевле, потому что пропан намного дешевле дизельного топлива. Чем больше расстояние, которое может проехать дальнобойщик по пересеченной местности с полной загрузкой комбинированного дизельного и пропанового топлива, тем больше он может соблюдать федеральные правила рабочего времени с двумя меньшими остановками для заправки в поездке по пересеченной местности. Дальнобойщики, участники соревнований по тяге тракторов и фермеры используют систему наддува пропаном уже более сорока лет [ когда? ] в Северной Америке.
Североамериканский стандартный сорт пропана для автомобильного использования имеет рейтинг HD-5 (Heavy Duty 5%). Сорт HD-5 имеет максимум 5 процентов бутана, но пропан, продаваемый в Европе, имеет максимально допустимое количество бутана 30 процентов, то есть это не то же самое топливо, что HD-5. LPG, используемый в качестве автомобильного топлива и бытового газа в Азии и Австралии, также имеет очень высокое содержание бутана.
Пропилен (также называемый пропеном) может быть загрязнителем коммерческого пропана. Пропан, содержащий слишком много пропена, не подходит для большинства видов автомобильного топлива. HD-5 — это спецификация, которая устанавливает максимальную концентрацию 5% пропена в пропане. Спецификации пропана и других сжиженных газов установлены в ASTM D-1835. [46] Все виды пропанового топлива включают одорант , почти всегда этантиол , так что газ можно легко почувствовать в случае утечки. Пропан как HD-5 изначально предназначался для использования в качестве автомобильного топлива. В настоящее время HD-5 используется во всех вариантах применения пропана.
Обычно в США и Канаде LPG в основном состоит из пропана (не менее 90%), а остальное — из этана , пропилена , бутана и одорантов, включая этилмеркаптан . [47] [48] Это стандарт HD-5 (максимально допустимое содержание пропилена и не более 5% бутанов и этана), определенный Американским обществом по испытаниям и материалам в его Стандарте 1835 для двигателей внутреннего сгорания. Однако не все продукты с маркировкой «LPG» соответствуют этому стандарту. Например, в Мексике газ с маркировкой «LPG» может состоять из 60% пропана и 40% бутана. «Точная пропорция этой комбинации варьируется в зависимости от страны, в зависимости от международных цен, доступности компонентов и, особенно, от климатических условий, которые благоприятствуют LPG с более высоким содержанием бутана в более теплых регионах и пропану в холодных регионах». [49]
Пропан покупается и хранится в жидкой форме, LPG. Его можно легко хранить в относительно небольшом пространстве.
Для сравнения, сжатый природный газ (СПГ) не может быть сжижен путем сжатия при нормальных температурах, так как они значительно выше его критической температуры . Как газ, для хранения полезных количеств требуется очень высокое давление. Это создает опасность того, что в случае аварии, как и в случае с любым баллоном сжатого газа (например, баллоном CO2, используемым для продажи газировки), баллон с СПГ может лопнуть с большой силой или протечь достаточно быстро, чтобы превратиться в самодвижущуюся ракету. Поэтому СПГ гораздо менее эффективен для хранения, чем пропан, из-за большого требуемого объема баллона. Альтернативным способом хранения природного газа является хранение в виде криогенной жидкости в изолированном контейнере в виде сжиженного природного газа (СПГ). Эта форма хранения находится под низким давлением и примерно в 3,5 раза эффективнее, чем хранение в виде СПГ.
В отличие от пропана, при утечке СПГ испарится и рассеется, поскольку он легче воздуха.
Пропан гораздо чаще используется в качестве топлива для транспортных средств, чем природный газ, поскольку это оборудование стоит дешевле. Пропану требуется всего 1220 килопаскалей (177 фунтов на квадратный дюйм) давления, чтобы поддерживать его в жидком состоянии при температуре 37,8 °C (100 °F). [50]
Пропан — простое удушающее вещество . [51] В отличие от природного газа , он плотнее воздуха. Он может скапливаться в низких помещениях и около пола. При злоупотреблении в качестве ингалятора он может вызвать гипоксию (недостаток кислорода), пневмонию , сердечную недостаточность или остановку сердца . [52] [53] Пропан малотоксичен , поскольку он нелегко всасывается и не является биологически активным . Обычно хранящиеся под давлением при комнатной температуре, пропан и его смеси мгновенно испаряются при атмосферном давлении и охлаждаются значительно ниже точки замерзания воды. Холодный газ, который кажется белым из-за конденсации влаги из воздуха, может вызвать обморожение.
Пропан плотнее воздуха. Если произойдет утечка в системе подачи пропана, испаренный газ будет иметь тенденцию попадать в любое закрытое пространство и, таким образом, представлять опасность взрыва и пожара. Типичный сценарий — протекающий баллон, хранящийся в подвале; утечка пропана дрейфует по полу к запальной лампе на печи или водонагревателе и приводит к взрыву или пожару. Это свойство делает пропан в целом непригодным в качестве топлива для лодок. В 2007 году в Генте, Западная Вирджиния, США, произошел тщательно расследованный взрыв , связанный с парами, в результате которого погибли четыре человека и был полностью разрушен магазин Little General на Flat Top Road , в результате чего несколько человек получили ранения. [54] [55]
Другая опасность, связанная с хранением и транспортировкой пропана, известна как BLEVE или взрыв расширяющегося пара кипящей жидкости . Взрыв в Кингмане произошел в железнодорожной цистерне в Кингмане, штат Аризона, США, в 1973 году во время перекачки пропана. Пожар и последующие взрывы привели к двенадцати смертельным случаям и многочисленным травмам. [56]
Пропан производится как побочный продукт двух других процессов: переработки природного газа и переработки нефти . Переработка природного газа включает удаление бутана , пропана и большого количества этана из сырого газа, чтобы предотвратить конденсацию этих летучих веществ в трубопроводах природного газа. Кроме того, нефтеперерабатывающие заводы производят некоторое количество пропана как побочный продукт крекинга нефти в бензин или печное топливо.
Поставки пропана не могут быть легко скорректированы для удовлетворения возросшего спроса из-за побочной природы производства пропана. Около 90% пропана в США производится внутри страны. [41] Соединенные Штаты импортируют около 10% потребляемого пропана каждый год, причем около 70% этого объема поступает из Канады по трубопроводу и железной дороге. Остальные 30% импортируемого пропана поступают в Соединенные Штаты из других источников морским транспортом.
После отделения от сырой нефти североамериканский пропан хранится в огромных соляных пещерах . Примерами являются Форт-Саскачеван , Альберта ; Мон-Бельвью, Техас ; и Конвей, Канзас . Эти соляные пещеры [57] могут хранить 80 000 000 баррелей (13 000 000 м 3 ) пропана.
По состоянию на октябрь 2013 года [обновлять]розничная стоимость пропана составляла приблизительно 2,37 доллара за галлон или около 25,95 доллара за 1 миллион БТЕ. [58] Это означает, что заправка 500-галлонного баллона пропана, который обычно требуется домохозяйствам, использующим пропан в качестве основного источника энергии, стоила 948 долларов (80% от 500 галлонов или 400 галлонов), что на 7,5% больше средней цены в США в зимний сезон 2012–2013 годов. [59] Однако стоимость пропана за галлон значительно различается от штата к штату: Управление энергетической информации (EIA) приводит среднюю цену в 2,995 доллара за галлон на Восточном побережье в октябре 2013 года, [60] в то время как для Среднего Запада этот показатель составил 1,860 доллара за тот же период. [61]
По состоянию на декабрь 2015 года [обновлять]розничная стоимость пропана составляла приблизительно 1,97 доллара за галлон [62] , что означает, что заправка 500-галлонного баллона пропана до 80% емкости стоила 788 долларов, что на 16,9% меньше или на 160 долларов меньше, чем в ноябре 2013 года. Аналогичные региональные различия в ценах присутствуют: по данным EIA за декабрь 2015 года для Восточного побережья это 2,67 доллара за галлон, а для Среднего Запада это 1,43 доллара за галлон [62] .
По состоянию на август 2018 года [обновлять]средняя розничная стоимость пропана в США составляла приблизительно 2,48 доллара за галлон. Оптовая цена пропана в США всегда падает летом, поскольку большинству домов он не нужен для отопления дома. Оптовая цена пропана летом 2018 года составляла от 86 до 96 центов за галлон США в зависимости от загрузки грузовика или железнодорожного вагона. Цена на отопление дома была ровно в два раза выше; при оптовой цене 95 центов за галлон цена с доставкой на дом составляла 1,90 доллара за галлон при заказе 500 галлонов за раз. Цены на Среднем Западе всегда ниже, чем в Калифорнии. Цены с доставкой на дом всегда растут ближе к концу августа или в первые дни сентября, когда люди начинают заказывать заполнение своих домашних баллонов. [63]
Аналогично, сохраненные названия «этан», «пропан» и «бутан» никогда не заменялись систематическими названиями «дикарбан», «трикарбан» и «тетракарбан», как рекомендовано для аналогов силана — «дисилан», фосфана — «трифосфан» и сульфана — «тетрасульфан».
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2024 г. ( ссылка )Пропан — это простое удушающее вещество, не представляющее опасности IDLH при концентрациях ниже нижнего предела взрываемости (НПВ). Выбранный IDLH основан на НПВ в 21 000 ppm, округленных до 20 000 ppm.
