Пропан ( / ˈ p r oʊ p eɪ n / ) представляет собой трехуглеродный алкан с молекулярной формулой C 3 H 8 . Это газ при стандартной температуре и давлении , но сжимаемый до транспортируемой жидкости. Побочный продукт переработки природного газа и нефти , он обычно используется в качестве топлива в бытовых и промышленных целях, а также в общественном транспорте с низким уровнем выбросов. Открытый в 1857 году французским химиком Марселленом Бертло , он стал коммерчески доступен в США к 1911 году. Пропан — один из группы сжиженных нефтяных газов (LP-газов). Другие включают пропилен , бутан , бутилен , бутадиен , изобутилен и их смеси. Пропан имеет более низкую объемную плотность энергии, но более высокую весовую плотность энергии и сгорает более чисто, чем бензин и уголь. [6]
Газообразный пропан стал популярным выбором для барбекю и переносных печей, поскольку его низкая температура кипения -42 ° C заставляет его испаряться внутри контейнеров с жидкостью под давлением (он существует в двух фазах: пар над жидкостью). Он сохраняет 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] Пропан приводится в действие автобусами, вилочными погрузчиками, автомобилями, подвесными лодочными моторами и машинами для покрытия льда , а также используется для обогрева и приготовления пищи в транспортных средствах для отдыха и кемперах .
Пропан был открыт французским химиком Марселленом Бертело в 1857 году. [8] Он был обнаружен растворенным в пенсильванской легкой сырой нефти Эдмундом Рональдсом в 1864 году. [9] [10] Уолтер О. Снеллинг из Горнодобывающего управления США выделил его как летучий компонент бензина в 1910 году, ознаменовавший «рождение пропановой промышленности» в США. [11] Летучесть этих более легких углеводородов привела к тому, что их стали называть «дикими» из-за высокого давления паров нерафинированного бензина. 31 марта 1912 года газета «Нью-Йорк Таймс» сообщила о работе Снеллинга со сжиженным газом, заявив, что «в стальной бутылке будет достаточно газа , чтобы осветить обычный дом в течение трех недель». [12]
Именно в это время Снеллинг в сотрудничестве с Фрэнком П. Петерсоном, Честером Керром и Артуром Керром разработал способы сжижения сжиженного нефтяного газа при переработке бензина. [11] Вместе они основали компанию American Gasol Co., первого коммерческого продавца пропана. К 1911 году Снеллинг получил относительно чистый пропан, а 25 марта 1913 года на его метод переработки и производства сжиженного нефтяного газа был выдан патент № 1056845. [11] Отдельный метод производства сжиженного нефтяного газа путем сжатия был разработан Фрэнком Петерсоном, и его патент был выдан 2 июля 1912 года. [13]
В 1920-е годы наблюдалось увеличение производства сжиженного газа: в первый год зарегистрированного производства в 1922 году было зарегистрировано 223 000 галлонов США (840 м 3 ). В 1927 году годовое производство сжиженного газа на рынке достигло 1 миллиона галлонов США (3800 м 3 ), а к 1935 году Годовые продажи сжиженного газа достигли 56 миллионов галлонов США (210 000 м 3 ). Основные события в отрасли в 1930-е годы включали внедрение железнодорожного транспорта в цистернах, одоризацию газа и строительство местных заводов по розливу бутылок. 1945 год стал первым годом, когда ежегодные продажи сжиженного газа достигли миллиарда галлонов. К 1947 году 62% всех домов в США были оборудованы природным газом или пропаном для приготовления пищи. [11]
В 1950 году Управление транзита Чикаго заказало 1000 автобусов, работающих на пропане , 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 используется более 15 миллиардов галлонов США (57 000 000 м 3 ) пропана [14].
Во время пандемии COVID-19 в США сообщалось о нехватке пропана из-за возросшего спроса. [15] [16] [17]
Корень « проп- », встречающийся в слове «пропан» и названиях других соединений с трехуглеродными цепями, произошел от слова « пропионовая кислота », [18] которое, в свою очередь, было названо в честь греческих слов «протос» (что означает «первый») и «пион» (жирный). ), так как это был «первый» представитель ряда жирных кислот . [19]
Пропан — бесцветный газ без запаха. Этилмеркаптан добавляется в качестве одоранта в целях безопасности [20] и его обычно называют запахом «тухлых яиц». [21] При нормальном давлении он сжижается ниже точки кипения при -42 °C и затвердевает при температуре ниже точки плавления при -187,7 °C. Пропан кристаллизуется в пространственной группе P2 1 /n. [22] [23] Низкое заполнение 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 .
Сгорание пропана намного чище, чем сгорание угля или неэтилированного бензина. Производство CO 2 на единицу БТЕ пропана почти такое же низкое, как и у природного газа. [25] Пропан горит горячее, чем бытовой мазут или дизельное топливо, из-за очень высокого содержания водорода. Наличие связей C–C , а также кратных связей пропилена и бутилена приводит к образованию органических выхлопов, помимо углекислого газа и водяного пара во время обычного сгорания. Эти связи также вызывают горение пропана видимым пламенем.
Энтальпия сгорания газообразного пропана, при которой все продукты возвращаются в стандартное состояние, например, когда вода возвращается в жидкое состояние при стандартной температуре (известная как более высокая теплота сгорания ), составляет (2219,2 ± 0,5) кДж / моль или (50,33 ± 0,01). ) МДж/кг. [24]
Энтальпия сгорания газа пропана, когда продукты не возвращаются в нормальное состояние, например, когда горячие газы, включая водяной пар, выходят из дымохода (известная как нижняя теплота сгорания ), составляет -2043,455 кДж/моль. [26] Нижняя теплота сгорания — это количество тепла, получаемого при сгорании вещества, при котором продукты сгорания выбрасываются в атмосферу; например, тепло от камина при открытом дымоходе.
Плотность пропана при 25 °C (77 °F) составляет 1,808 кг/м 3 , что примерно в 1,5 раза превышает плотность воздуха при той же температуре. Плотность жидкого пропана при 25 °C (77 °F) составляет 0,493 г/см 3 , что эквивалентно 4,11 фунтам на галлон жидкости США или 493 г/л. Пропан расширяется на 1,5% на 10 °F. Таким образом, жидкий пропан имеет плотность примерно 4,2 фунта на галлон (504 г/л) при температуре 60 °F (15,6 °C). [27]
Поскольку плотность пропана изменяется в зависимости от температуры, этот факт необходимо учитывать каждый раз, когда его применение связано с операциями обеспечения безопасности или коммерческого учета. [28]
Название «пропан» происходит путем добавления химического суффикса -ан к слову «проп (ионная кислота)», которое, в свою очередь, происходит от греческого « про » «вперед» и пион «жир». Это относится к тому, что пропионовая кислота стоит на первом месте среди жирных кислот. [29]
Пропан является популярным выбором для барбекю и переносных печей, поскольку низкая температура кипения -42 °C (-44 °F) заставляет его испаряться, как только он выходит из контейнера под давлением. Следовательно, карбюратор или другое испарительное устройство не требуется; достаточно простой дозирующей насадки.
Смеси чистого сухого «изопропана» (R-290a) (смеси изобутана и пропана) и изобутана (R-600a) могут использоваться в качестве циркулирующего хладагента в компрессорном холодильном оборудовании соответствующей конструкции. [30] По сравнению с фторуглеродами, пропан обладает незначительным потенциалом разрушения озонового слоя и очень низким потенциалом глобального потепления (имея значение ПГП 0,072, [31] в 13,9 раз ниже, чем ПГП диоксида углерода) и может служить функциональной заменой R -12 , R-22 , R-134a и другие хлорфторуглеродные или гидрофторуглеродные хладагенты в обычных стационарных системах охлаждения и кондиционирования воздуха. [32] Поскольку его эффект на глобальное потепление гораздо меньше, чем у нынешних 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 борьбы с его воспламеняемостью. [33]
Такая замена широко запрещена или не рекомендуется в автомобильных системах кондиционирования воздуха на том основании, что использование легковоспламеняющихся углеводородов в системах, изначально предназначенных для транспортировки негорючего хладагента, представляет значительный риск возгорания или взрыва. [34]
Продавцы и сторонники углеводородных хладагентов выступают против таких запретов на том основании, что таких инцидентов было очень мало по сравнению с количеством автомобильных систем кондиционирования воздуха, заполненных углеводородами. [35] [36]
Пропан также играет важную роль в обеспечении автономного охлаждения в качестве источника энергии для газоабсорбционного холодильника и обычно используется для кемпинга и транспортных средств для отдыха.
Поскольку его 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 сжигании пропана выделяются обнаруживаемые и повторяемые уровни бензола, которые в некоторых домах повышают концентрацию бензола в помещениях выше общепринятых показателей здоровья. Исследование также показывает, что газ и пропан являются доминирующими источниками бензола, образующегося при приготовлении пищи. [37]
В сельских районах Северной Америки, а также северной Австралии пропан используется для обогрева животноводческих помещений, зерносушилок и других тепловыделяющих устройств. При использовании для отопления или сушки зерна его обычно хранят в большом стационарном 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. [38]
В Северной Америке местные грузовики доставки со средним объемом баллона 3000 галлонов США (11 м 3 ) заполняют большие баллоны, постоянно установленные на территории, или другие сервисные грузовики обменивают пустые баллоны с пропаном на заполненные баллоны. Большие тягачи с прицепами, средний объем баллонов которых составляет 10 000 галлонов США (38 м 3 ), транспортируют пропан от трубопровода или нефтеперерабатывающего завода на местный нефтебазовый завод. Бобтейл- цистерна не уникальна для рынка Северной Америки, хотя в других местах эта практика не так распространена, и такие автомобили обычно называют цистернами . Во многих странах пропан доставляется конечным потребителям в отдельных баллонах малого или среднего размера, а пустые баллоны вывозятся для заправки в центральном пункте.
Существуют также общественные системы пропана с центральным баллоном, питающим отдельные дома. [39]
В США более 190 000 дорожных транспортных средств используют пропан, а более 450 000 вилочных погрузчиков используют его в качестве источника энергии. Это третье по популярности автомобильное топливо в мире [40] после бензина и дизельного топлива . В других частях мира пропан, используемый в транспортных средствах, известен как автогаз. В 2007 году около 13 миллионов автомобилей по всему миру используют автомобильный газ. [40]
Преимущество пропана в автомобилях – его жидкое состояние при умеренном давлении. Это обеспечивает быстрое время заправки, доступную конструкцию топливных баллонов и диапазон цен, обычно чуть более половины от стоимости бензина. Между тем, он заметно чище (как в обращении, так и в сгорании), приводит к меньшему износу двигателя (из-за отложений углерода) без разжижения моторного масла (часто продлевая 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 приспособления для заправки «бутылок для барбекю». Специально построенные автомобили часто находятся в коммерческих автопарках и имеют частные заправочные станции. Дополнительная экономия для водителей транспортных средств, работающих на пропане, особенно в автопарках, заключается в том, что кражу гораздо сложнее, чем при использовании бензина или дизельного топлива.
Пропан также используется в качестве топлива для небольших двигателей , особенно тех, которые используются в закрытых помещениях или в помещениях с недостаточным количеством свежего воздуха и вентиляции для удаления более токсичных выхлопов двигателя, работающего на бензине или дизельном топливе. Совсем недавно [ когда? ] существовали продукты для ухода за газонами, такие как триммеры , газонокосилки и воздуходувки, предназначенные для использования на открытом воздухе, но работающие на пропане для уменьшения загрязнения воздуха . [41]
Многие тяжелые грузовики используют пропан в качестве наддува, который добавляется через турбонагнетатель 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 грузовиков. Это нормально, когда 7-литровый дизельный двигатель грузового автомобиля средней мощности увеличивает экономию топлива на 20–33 процента при использовании системы наддува пропаном. Это дешевле, поскольку пропан намного дешевле дизельного топлива. Чем больше расстояние, которое дальнобойщик может проехать с полной загрузкой комбинированного дизельного и пропанового топлива, означает, что он может соблюдать федеральные правила рабочего времени с двумя меньшими остановками для заправки в поездке по пересеченной местности. Дальнобойщики, участники соревнований по буксировке тракторов и фермеры используют систему наддува пропаном уже более сорока лет [ когда? ] в Северной Америке.
Североамериканский стандарт пропана для автомобильного использования имеет класс HD-5 (5%). Марка HD-5 содержит максимум 5 процентов бутана, но пропан, продаваемый в Европе, имеет максимально допустимое количество бутана 30 процентов, что означает, что это не то же самое топливо, что и HD-5. Сжиженный нефтяной газ, используемый в качестве автомобильного топлива и газа для приготовления пищи 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 пропена в пропане 5%. Спецификации пропана и других сжиженных газов установлены в ASTM D-1835. [43] Все виды пропанового топлива содержат одорант , почти всегда этантиол , поэтому в случае утечки газ можно легко почувствовать. Пропан HD-5 изначально предназначался для использования в качестве автомобильного топлива. HD-5 в настоящее время используется во всех сферах применения пропана.
Обычно в США и Канаде сжиженный нефтяной газ состоит в основном из пропана (не менее 90%), а остальная часть — это в основном этан , пропилен , бутан и одоранты, включая этилмеркаптан . [44] [45] Это стандарт HD-5 (максимально допустимое содержание пропилена и не более 5% бутана и этана), определенный Американским обществом по испытаниям и материалам в стандарте 1835 для двигателей внутреннего сгорания. Однако не все продукты с маркировкой «СНГ» соответствуют этому стандарту. В Мексике, например, газ с маркировкой «СНГ» может состоять на 60% из пропана и на 40% из бутана. «Точная пропорция этой комбинации варьируется в зависимости от страны, в зависимости от международных цен, наличия компонентов и, особенно, от климатических условий, которые благоприятствуют сжиженному нефтяному газу с более высоким содержанием бутана в более теплых регионах и пропана в холодных регионах». [46]
Пропан покупается и хранится в жидкой форме, сжиженном нефтяном газе. Его можно легко хранить в относительно небольшом пространстве.
Для сравнения, сжатый природный газ (СПГ) не может быть сжижен путем сжатия при обычных температурах, поскольку они значительно превышают его критическую температуру . Поскольку газу требуется очень высокое давление для хранения полезных количеств. Это создает опасность того, что в случае аварии, как и в случае любого баллона со сжатым газом (например, баллона с CO 2 , используемого для концессии на газировку), баллон СПГ может взорваться с большой силой или дать утечку достаточно быстро, чтобы превратиться в самоходную ракету. . Следовательно, хранить КПГ гораздо менее эффективно, чем пропан, из-за требуемого большого объема баллона. Альтернативным способом хранения природного газа является криогенная жидкость в изолированном контейнере, например, сжиженный природный газ (СПГ). Эта форма хранения находится под низким давлением и примерно в 3,5 раза эффективнее хранения КПГ.
В отличие от пропана, в случае разлива СПГ испаряется и рассеивается, поскольку он легче воздуха.
Пропан гораздо чаще используется для заправки транспортных средств, чем природный газ, поскольку это оборудование стоит дешевле. Пропану требуется давление всего 1220 килопаскалей (177 фунтов на квадратный дюйм), чтобы оставаться жидким при температуре 37,8 ° C (100 ° F). [47]
Пропан – простой удушающий газ . [48] В отличие от природного газа , он плотнее воздуха. Он может накапливаться в низких помещениях и возле пола. При злоупотреблении им в качестве ингалянта оно может вызвать гипоксию (недостаток кислорода), пневмонию , сердечную недостаточность или остановку сердца . [49] [50] Пропан имеет низкую токсичность , поскольку он плохо усваивается и не является биологически активным . Пропан и его смеси, обычно хранящиеся под давлением при комнатной температуре, мгновенно испаряются при атмосферном давлении и охлаждаются значительно ниже точки замерзания воды. Холодный газ, который выглядит белым из-за конденсации влаги из воздуха, может вызвать обморожение.
Пропан плотнее воздуха. Если произойдет утечка в топливной системе пропана, испаренный газ будет иметь тенденцию оседать в любом закрытом помещении и, таким образом, создает риск взрыва и пожара. Типичный сценарий — протекающий баллон, хранящийся в подвале; Утечка пропана перемещается по полу к контрольной лампе на печи или водонагревателе и приводит к взрыву или пожару. Это свойство делает пропан вообще непригодным в качестве топлива для лодок. В 2007 году в Генте, Западная Вирджиния, США, произошел тщательно расследованный взрыв паров , в результате которого погибли четыре человека и полностью разрушился круглосуточный магазин Little General на Флэт-Топ-роуд , в результате чего несколько человек получили ранения. [51] [52]
Другая опасность, связанная с хранением и транспортировкой пропана, известна как BLEVE или взрыв расширяющегося пара кипящей жидкости . Взрыв Кингмана произошел в железнодорожной цистерне в Кингмане, штат Аризона, США, в 1973 году во время перевозки пропана. В результате пожара и последующих взрывов двенадцать человек погибли и получили многочисленные ранения. [53]
Пропан производится как побочный продукт двух других процессов: переработки природного газа и переработки нефти . Обработка природного газа включает удаление бутана , пропана и большого количества этана из сырого газа, чтобы предотвратить конденсацию этих летучих веществ в газопроводах. Кроме того, нефтеперерабатывающие заводы производят некоторое количество пропана как побочный продукт переработки нефти в бензин или печное топливо.
Поставки пропана нелегко адаптировать для удовлетворения возросшего спроса из-за побочного характера производства пропана. Около 90% пропана в США производится внутри страны. [38] Соединенные Штаты импортируют около 10% потребляемого пропана каждый год, причем около 70% этого количества поступает из Канады по трубопроводам и железным дорогам. Остальные 30% импортируемого пропана поступает в США из других источников морским транспортом.
После отделения от сырой нефти североамериканский пропан хранится в огромных соляных пещерах . Примерами являются Форт Саскачеван , Альберта ; Монт-Бельвье, Техас ; и Конвей, Канзас . Эти соляные пещеры [54] могут хранить 80 000 000 баррелей (13 000 000 м 3 ) пропана.
По состоянию на октябрь 2013 года [обновлять]розничная стоимость пропана составляла примерно 2,37 доллара за галлон, или примерно 25,95 доллара за 1 миллион БТЕ. [55] Это означает, что заправка пропанового баллона емкостью 500 галлонов, который обычно требуется домохозяйствам, использующим пропан в качестве основного источника энергии, обойдется в 948 долларов США (80% от 500 галлонов или 400 галлонов), что на 7,5% больше, чем в 2012 году. – Средняя цена зимнего сезона 2013 г. в США. [56] Однако стоимость пропана за галлон значительно варьируется от штата к штату: Управление энергетической информации (EIA) указывает среднюю цену пропана в 2,995 доллара за галлон на восточном побережье в октябре 2013 года, [57] тогда как на Среднем Западе этот показатель составлял 1,860 доллара за галлон. тот же период. [58]
По состоянию на декабрь 2015 года [обновлять]розничная стоимость пропана составляла примерно 1,97 доллара за галлон. [59] Это означает, что заправка пропанового баллона емкостью 500 галлонов до 80% емкости обойдется в 788 долларов США, что на 16,9% меньше, или на 160 долларов меньше, по сравнению с ценой за ноябрь 2013 года, приведенной в этом разделе. Аналогичные региональные различия в ценах наблюдаются: данные EIA за декабрь 2015 года для Восточного побережья составляют 2,67 доллара за галлон, а для Среднего Запада - 1,43 доллара за галлон. [59]
По состоянию на август 2018 года [обновлять]средняя розничная стоимость пропана в США составляла примерно 2,48 доллара за галлон. Оптовая цена на пропан в США летом всегда падает, поскольку большинству домов он не требуется для отопления. Оптовая цена на пропан 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 вдвое выше; при оптовой цене 95 центов за галлон цена доставки на дом составляла 1,90 доллара за галлон при заказе 500 галлонов за раз. Цены на Среднем Западе всегда дешевле, чем в Калифорнии. Цены на доставку на дом всегда растут ближе к концу августа или в первые дни сентября, когда люди начинают заказывать заправку своих домашних резервуаров. [60]
Точно так же сохраненные названия «этан», «пропан» и «бутан» никогда не заменялись систематическими названиями «дикарбан», «трикарбан» и «тетракарбан», рекомендованными для аналогов силана, «дисилан»; фосфан, «трифосфан»; и сульфан, «тетрасульфан».
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )Пропан является простым удушающим веществом и не представляет опасности IDLH при концентрациях ниже нижнего предела взрываемости (НПВ).
Выбранное значение IDLH основано на НПВ, равном 21 000 частей на миллион, округленном до 20 000 частей на миллион.