Метан, этан, пропан, бутан и изобутан — физичесике и химические свойста

Вы когда-нибудь пытались определить утечку газа на кухне по запаху? А если запаха нет или он плохо улавливается? Согласитесь, что более уверенно себя чувствует тот, кто понимает основные отличия газовых смесей, умеет определять их. Знать, сжиженный газ в баллонах – это какой газ и как он себя поведет при нарушении целостности газовода, важно. Это вопрос безопасности.

Каждый тип горючего имеет свои особенности. Удельная теплота сгорания, цвет, запах, температура самовозгорания – все это признаки, по которым мы идентифицируем вещество. Важный параметр – молярная масса. От этого значения зависит распределение газа при утечке: скопится он внизу, заполнив подвальные помещения, или, наоборот, поднимется.

Умение разбираться в баллонных смесях – залог правильной эксплуатации, отсутствия роковых ошибок при замене, утилизации. Кроме того, знание теории поможет сделать грамотный выбор при покупке. А это уже половина дела.

Природный или сжиженный — в чем разница?

Выбирая источник топлива, пользователь может натолкнуться на два понятия: природный газ и сжиженный. Первый, в большинстве случаев, передается посредством городских магистральных сетей. Гораздо реже его можно приобрести в сжатом состоянии в емкостях. Второй – традиционный состав для баллонов из пропана и бутана.

Характеристики природного газа

Основная составляющая – метан. На его долю приходится почти не менее 70%.

Остальные части распределяются между тяжелыми углеводородами:

• пропаном;
• бутаном;
• этаном;
• пентаном.

Кроме того, в состав входят водород, азот, углекислый газ и незначительное количество сероводорода. Важно знать, что в добытый в природе газ лишен запаха и цвета. Поэтому природный газ в баллонах принято обогащать одорантами – веществами, обладающими резким запахом.

Для того, чтобы определить утечку, не придется принюхиваться. Благодаря летучести, соединение мгновенно распространяется в помещении, быстро привлекает внимание.

Почувствовав неприятный запах, первым делом необходимо открыть окна в том помещении, где находится баллон. Затем выйти и вызвать службу газа. Проверять концентрацию смеси в воздухе с помощью спички или зажигалки запрещено

Из одорантов наиболее распространенным является этантиол, отдающий гнилью или тухлым яйцом. В больших количествах это соединение токсично. В малой концентрации, характерной для классического состава бытовой газовой смеси, абсолютно безвредно.

Преимущества сжиженного газа

В качестве сжиженного газа выступают пропан и бутан, смешанные в разных пропорциях. Под высоким давлением эти углероды превращаются в жидкость и заметно уменьшаются в объеме. Обратный процесс возможен при повышении температуры – нагревание влечет за собой расширение вещества. Поэтому баллоны для сжиженных углеводородных газов изготавливаются строго по ГОСТам и заполняются не более, чем на 85%.

Неоспоримое преимущество пропан-бутанового газа – легкость. Баллон, наполненный такой смесью, окажется в несколько раз легче аналогичной емкости с метаном.

Другие плюсы:

• экологическая безопасность;
• сильный специфичный запах – полезный индикатор утечки;
• невысокая стоимость.

Правильно настроенная плита, подключенная к баллону с углеводородным газом, будет работать без копоти, выдавать ровные струйки горящего топлива.

Химический состав СУГ

Есть два основных пути получения СУГ: из попутного нефтяного газа или из конденсатной фракции природного газа. Процесс получения выполняется с помощью абсорбционно-газофракционирующей установки, которая разделяет газ на составляющие:

• легкие углеводороды пропан (С3Н8) и бутан (С4Н10), которые являются основой СУГ;
• углеводороды пентан (C5H12), метан (CH4) и этан (C2H6);
• непредельные углеводороды этилен (C2H4), пропилен (C3H6) и бутилен (C4H8).

Содержание в составе СУГ пропана и бутана составляет не менее 95%, количество непредельных углеводородов — примерно 1%. Также в составе допускается наличие изомерных соединений — изобутана и изобутилена.

Полученная пропан-бутановая смесь не имеет запаха, поэтому по правилам техники безопасности осуществляется принудительная ароматизация. Характерный неприятный запах придается посредством этантиола, который начинает ощущаться при 1/5 взрывоопасной концентрации СУГ в воздухе.

Зимние и летние смеси

Поскольку в жилых помещениях разрешено присутствие только одного 5-литрового баллона, емкости больших объемов устанавливаются вне дома. Соответственно, климатические условия во время пользования могут быть любыми. С учетом этого фактора создаются газовые составы для теплого и холодного времени года, подробнее о которых написано здесь.

В чем отличие сезонных версий?

Внутри баллона сжиженный газ находится в двух агрегатных состояниях: жидком и газообразном. Интенсивность заполнения газовода газообразной фракцией напрямую зависит от температуры: в тепле показатель выше, чем при низких температурах.

На графике видно, что смешение пропана и бутана позволяет уравновесить способность этих соединений к испарению. На этом и основан принцип создания «климатических» составов

Корректировка этой ситуации выполняется при помощи изменения пропорций пропана и бутана. Первый способен испаряться при 42 градусах ниже ноля. Второй теряет эту способность сразу после пересечения нулевой отметки.

Поэтому в зимних вариантах объем пропана увеличивается. В летних – наоборот, уменьшается. Такой подход дает возможность снизить стоимость летних версий за счет более дешевого бутана и обеспечить эффективность зимних.

Расчет пропорций с учетом климата

При определении рекомендованных пропорций за точку отсчета была взята средняя полоса России. Минимальное содержание пропана для зимней версии ограничено отметкой в 70%. В летнем варианте допустимо 50-процентное содержание.

Аббревиатура СПБТ означает смесь пропана и бутана технических — пропорции подбираются в соответствии с потребностями. БТ – бутан технический содержит 60% бутана. ПТ – пропан технический — минимум 75% пропана

Состав для других регионов выполняется с учетом удаленности от средней полосы, климатических особенностей. Делать это должны специалисты лицензированных организаций.

Универсальный вариант для любой температуры

Корректное функционирование портативных газовых систем в широком температурном диапазоне характерно для соединения пропана, изобутана и бутана. Имея разные температуры горения, эти вещества сделали сложный состав максимально универсальным.

Пропан-бутановые смеси

Введение

Пропан-бутановая смесь – бесцветный газ с резким запахом – является побочным продуктом переработки нефти и относятся к группе тяжелых углеводородов. Состоит из пропана (C3H8) с примесью бутана (C4H10) в количестве от 5 до 30 %, а суммарное количество должно быть не менее 93 %. Кроме того, в его состав входит не более 4 % этана (C2H5) и этилена (C2H4), а также не более 3 % бутана (C4H10) и бутилена (C4H8). Эти смеси также называют техническим пропаном, а иногда сжиженными нефтяными газами.
В нормальных условиях смеси находятся в газообразном состоянии, а при пониже-нии температуры или повышении давления становятся жидким (таблица 4).

Сжиженные газы хранят только в закрытых емкостях, так как испарение жидкости происходит даже при 0 °С. Пропан-бутан тяжелее воздуха, поэтому необходимо тщательно следить за герметичностью аппаратуры и коммуникаций во избежание образования взрывоопасной смеси газа с воздухом.

Сжиженные газы, обеспечивающие достаточно высокую температуру газокислородного пламени, относительно дешевые, недефицитные, удобные для транспортирования и хранения, широко применяются в качестве заменителей ацетилена. Пропан, бутан и их смеси можно использовать при сварке стали толщиной до 6 мм (в отдельных случаях – до 12 мм), сварке и пайке чугуна, цветных металлов и сплавов, кислородной и кислородно-флюсовой резке (разделительной и поверхностной) сталей, наплавке, поверхностной закалке, металлизации, нагреве при гибке, правке, формовке и других подобных процессах.

При разделительной резке, сварке цветных металлов, пламенной закалке и пайке 0,3 т сжиженного газа заменяют 1 т карбида кальция (что эквивалентно примерно 235 м3 ацетилена).

Углеводородные сжиженные газы должны изготовляться в соответствии с требованиями ГОСТ 20448-90.

В зависимости от содержания основного компонента марки сжиженных газов приведены в таблице 1.
Таблица 1
— Марки сжиженных газов

Свойства

Основные свойства сжиженных газов приведены в таблице 2.
Таблица 2
— Основные свойства сжиженных газов

По физико-химическим показателям сжиженные газы должны соответствовать требованиям и нормам, приведенным в таблице 3.
Таблица 3
— Физико-химические показатели сжиженных газов

При нормальном давлении пропан-бутановая смесь переходит в жидкое состояние при температуре примерно –40 °С. В таблице 4 указаны условия перехода пропана и бутана в жидкое состояние. При испарении 1 кг жидкого пропана получается около 0,535 м3 паров, а 1 кг жидкого бутана – 0,406 м3 паров.
Таблица 4
— Условия перехода пропана и бутана в жидкое состояние

Транспортирование и хранение

Крупные потребители получают углеводородные газы в железнодорожных или автомобильных цистернах, из которых их переливают в заводские стационарные емкости (хранилище). Из них газ проходит через газификатор или отбирается в паровой фазе и поступает в заводской газорегуляторный пункт (ГРП) и далее в межцеховые газопроводы.

Мелкие потребители пользуются обычно баллонами, получаемыми со станции наполнения. Баллоны устанавливаются в разрядные рампы или применяются для индивидуального питания постов. Давление пропан-бутана, подаваемого по трубопроводу, при максимальном отборе газа должно быть не менее 0,01 МПа (0,1 кгс/см2).

Транспортировка газов железнодорожным, автомобильным и водным транспортом должна осуществляться в соответствии с правилами перевозок опасных грузов, действующих на соответствующем виде транспорта, и правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, утвержденными в установленном порядке.

Хранят и транспортируют пропан-бутановые смеси в сжиженном состоянии в баллонах вместимостью 40 и 55 л под давлением 1,6…1,7 МПа (16…17 кгс/см3). Жидкость смесью заполняют только половину баллона, так как при нагреве значительное повышение давления может привести к взрыву баллона.

Требования безопасности

Сжиженные углеводородные газы пожаро- и взрывоопасны, малотоксичны, имеют специфический характерный запах.

По степени воздействия на организм газы относятся к веществам 4-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007.

Пропано-бутановые смеси значительно тяжелее воздуха, поэтому при утечке газа они могут скапливаться в нижних слоях атмосферы, на полу в помещении и в углублениях, что может привести к образованию взрывоопасных концентраций.

Сжиженные газы образуют с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров пропана от 2,1 до 9,5 %, нормального бутана от 1,5 до 8,5 % (по объему) при давлении 98066 Па (1 атм) и температуре 15-20 °С.

Температура самовоспламенения пропана в воздухе при нормальных условиях составляет 466 °С, нормального бутана 405 °С, изобутана – 462 °С.

Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод) предельных углеводородов (пропана, нормального бутана) 300 мг/м3, непредельных углеводородов (пропилен, бутилен) – 100 мг/м3.

Сжиженные газы, попадая на тела человека, вызывают обмораживание, напоминающее ожог.

Человек, находящийся в атмосфере с небольшим содержанием паров сжиженного газа в воздухе, испытывает кислородное голодание, а при значительных концентрациях в воздухе может погибнуть от удушья.

Сжиженные углеводородные газы действуют на организм наркотически.

Признаками наркотического действия являются недомогание и головокружение, затем наступает состояние опьянения, сопровождаемое беспричинной веселостью, потерей сознания.

Пары сжиженных углеводородных газов быстро накапливаются в организме при вдыхании и столь же быстро выводятся через легкие, в организме человека не аккумулируются.

При высоких концентрациях сжиженных углеводородных газов необходимо использовать шланговые изолирующие противогазы с принудительной подачей чистого воздуха. При небольших концентрациях используют фильтрующие противогазы марки БКФ, коробка защитного цвета.

В производственных помещениях должны соблюдаться требования санитарной гигиены по ГОСТ 12.1.005. Все производственные помещения должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей десятикратный воздухообмен в 1 ч и чистоту воздуха рабочей зоны производственных помещений.

В помещениях производства, хранения и перекачивания сжиженных углеводородных газов запрещается обращение с открытым огнем, искусственное освещение должно быть выполнено во взрывозащищенном исполнении, все работы следует проводить инструментами, не дающими при ударе искру.

Защита оборудования от вторичных проявлений молний и статического электричества должна соответствовать правилам защиты от статического электричества производств химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

При загорании применяют следующие средства пожаротушения: углекислотные огнетушители и пенные марки ОХП-10, воду в виде компактных и распыленных струй в тонкораспыленном виде, сухой песок, водяной пар, асбестовое полотно и др.

Окраска и маркировка газовых баллонов

Удивительно, но мир до сих пор не пришел к единой системе маркировки газовых баллонов. Поэтому при выборе источника горючего за границей необходимо изучить местные правила. В России все емкости с газовыми смесями, использующимися для готовки на плите, имеют белую поперечную надпись на однотонном красном фоне.

Пропан никогда не используется для заполнения баллонов в чистом виде. Однако надпись делается по превалирующему веществу. Это правило распространяется и на другие смеси

Все остальные сведения находятся на металлической табличке – своеобразном паспорте изделия. Это срок службы, заводской номер, масса пустой емкости, даты выпуска и следующей аттестации, товарный знак производителя, пробное давление.

Стандарты окраски и маркировки едины для метановых и пропан-бутановых смесей – для использования на кухне подходят только красные баллоны с белой надписью. Другие цвета могут означать, что емкость заполнена азотом, аргоном, аммиаком, гелием, фреоном.

Как определить утечку?

Разница при утечке метановой и пропан-бутановой смеси заключается в запахе. Но и в том, и в другом случае зловоние даст о себе знать в первую очередь.

Для обнаружения проникновения обоих составов в воздушное пространство подойдет 4 способа:

1. Определение рукой. Бытовые газы холоднее воздуха. Проведя рукой по местам фланцевых соединений, стыков элементов газопровода легко почувствовать исходящий холодок.
2. Использование мыльного раствора. Появившиеся пузырьки на обработанной поверхности сигнализируют о проблеме.
3. Установка стационарного датчика. Предпочтительны модели, подающие не только цифровой сигнал в виде показаний прибора, но и звуковой.
4. Измерение переносным прибором.

Способ измерения концентрации вредного соединения в воздухе при помощи переносных датчиков зависит от состава газа в бытовых баллонах, установленных на кухне или вне границ жилья.

Красная лампа сигнализирует о возможной опасности. Загорание зеленой лампы – подтверждение благополучия. При возникновении сомнений стоит провести повторный замер вблизи возможных утечек: на местах стыков и соединений

При измерении утечки пропана/бутана необходимо установить устройство в самой низкой точке помещения. Тяжелая смесь в первую очередь заполнит пространство у пола.

С метаном ситуация обратная – этот газ в два раза легче воздуха. Поэтому при испарении он переместится вверх. Соответственно, проводить измерения придется под потолком.

Как это работает

При использовании в качестве топлива для двигателей пропан и метан работают аналогично. Главное отличие между этими газами состоит в том, что пропан хранится в сжиженном виде, в то время как метан — в газообразном. Пропан становится газообразным, когда его выпускают из газового баллона. При сгорании одного галлона пропана обычно выделяется энергия, равная примерно 8,4 х 104 БТЕ.В Америке для оценки эффективности альтернативного топлива иногда используется коэффициент GGE, равный отношению количества энергии в БТЕ, вырабатываемой при сгорании одного галлона бензина, к количеству энергии в БТЕ, вырабатываемой при сгорании одного галона альтернативного топлива. Коэффициент GGE пропана (давайте назовем его Gp) может быть определен по следующей формуле:Gp = (1,25 х 104)/8,4 х 104 =1,5.

При сгорании одного галлона бензина производится энергия, равная примерно 1,25 х 105 БТЕ, что в 1,5 раза больше энергии, которая выделяется при полном сгорании одного галлона жидкого пропана. В разных странах эта величина может меняться в зависимости от сорта топлива и степени его очистки. Экономические показатели зависят от цены альтернативного топлива, цены бензина, коэффициента полезного действия бензинового двигателя, коэффициента полезного действия двигателя на альтернативном топливе.

Для сравнения двух видов топлива на основе коэффициента GGE 138 можно пользоваться не только такими единицами измерения, как галлон и БТЕ, но и, например, литрами и джоулями. Применяя эту вторую пару единиц измерения для оценки энергии, выделяемой пропаном и бензином, мы получим все ту же величину Gp = 1,5, так как это безразмерная величина, определяющая отношение двух параметров, и ее значение не меняется, если оба параметра выражены в одних и тех же единицах измерения.

Мощность, скорость движения и ускорение транспортных средств с двигателями на пропане такие же, как и у тех, что имеют двигатели на метане. Для наполнения бака двигателя на пропане требуется примерно такое же время, за которое наполняется бак двигателя, работающего на ископаемом топливе. У большинства используемых сейчас автомобилей на пропане были модифицированы обычные бензиновые или дизельные двигатели. Однако некоторые производители уже предлагают новые модели автомобилей с двигателями на пропане. В США имеются тысячи заправочных станций, где производится заправка пропаном, но все-таки они не столь часто встречаются, как заправочные станции для заправки бензином и дизельным топливом.

Как вычислить наполненность баллона?

Наполненность баллона смесью легко определить по весу. Для этого нужно знать вес пустой емкости и вес газа. Оба значения всегда указываются на металлическом паспорте изделия. Это может быть прямоугольная табличка или диск вокруг вентиля. Сумма этих двух значений равна массе полностью заправленного баллона. Уменьшение суммы говорит о расходе топлива.

Вес смеси бутана и пропана зависит от выбранной пропорции, так как пропан – более легкий газ. При нулевой температуре один литр смеси 1:1 будет весить 564 грамма. Вес одного литра метана при тех же условиях будет равен 710 граммам.

Причины распространенности пропановых смесей

Составы из пропана и бутана намного чаще становятся сырьем для наполнения бытовых газовых баллонов.

Причины просты:

1. Пропан легче поддается сжижению. Для воздействия на него достаточно давления в 16 атмосфер. Метан станет жидким только после воздействия 150 атмосфер.
2. Недорогая стоимость получения сжиженного газа в сравнении с метановой смесью.
3. Меньшая прочность баллонов, позитивно сказывающаяся на цене.
4. Безопасность применения.

Пользоваться емкостью с внутренним давлением в 16 атмосфер намного безопаснее. А это немаловажный критерий выбора.

Особенности технического пропана и сферы его применения

Технический пропан – газ, искусственно получаемый путем высокотемпературной обработки нефти и нефтяных газов. Для снижения себестоимости в состав технического пропана добавляют незначительную долю непредельного полипропилена. Данная примесь не сказывается на физико-технических свойствах пропана и добавляется исключительно для снижения стоимости газовых баллонов.

Пропан отличается широтой применения, он особенно распространен в системах автономного газоснабжения – это обусловлено наибольшей безопасностью вещества для составных частей сети и оборудования. Пропан способен испаряться естественным способом под воздействием низких температур, а потому газ пропан в баллонах эксплуатируется без испарителей в любом климате.

Помимо бытового применения заправка пропановых баллонов необходима для газопламенной металлообработки, сварки металлоконструкций, при раскрое металлопроката, проведении кровельных работ, для заправки транспортных средств, для обогрева производственных зданий, для создания хладагента, обработки кулинарных жиров, при производстве лакокрасочных материалов и растворителей, изготовления полиграфической краски, аэрозолей, косметических средств и т. д.

Утилизация баллонов с газовой смесью

Соблюдение правил безопасной утилизации обязательно для газовых баллонов с любым составом. Их необходимо сдавать в специализированные пункты приема/обмена. Несмотря на то, что пропан-бутановый газ содержится в емкости под более низким давлением, нежели метановый, возможность взрыва сохраняется. Виной тому – высокое остаточное давление пропана.

Некоторые фирмы предлагают выгодный обмен старой тары на новую или делают весомые скидки на приобретение новых баллонов при сдаче использованных емкостей

Основные мотивы для самостоятельного вскрытия старых емкостей – это использование пустой тары в хозяйственных целях и сдача в металлолом. Специалисты советуют отказаться от таких идей или воспользоваться помощью профессионалов. Главное – помнить, что полностью свободным от газовой смеси цельный баллон не бывает никогда.

Отличный выход – сдать баллон в частную сервисную компанию. Как правило, их цены значительно превышают выгоду от сдачи емкости в металлолом. Дополнительный бонус – самовывоз, когда представители организации выезжают за оборудованием по указанному адресу.

Выводы и полезное видео по теме

Чтобы не ошибиться при выборе, можно ориентироваться на цвет емкости. Для подключения к газовой плите используют красные баллоны с белой надписью:

Наиболее популярным составом, использующимся для заполнения бытовых баллонов, является смесь пропана и бутана. Правильно подобранные пропорции позволяют эффективно использовать физические свойства обоих веществ.

Обратите внимание, баллон с надписью, не соответствующей требованиям, должен быть изъят из эксплуатации. Любые попытки закрасить, изменить название – нарушение правил.

Может быть у вас есть полезный опыт пользования баллонами для газовой плиты, вы хорошо разбираетесь в составах или вам когда-то удавалось вовремя заметить утечку? Пишите об этом в комментариях. Ваш опыт может оказаться бесценным для других пользователей.