فرادرسپروپان چیست؟ — از صفر تا صد
پروپان یک آلکان سه کربنه با فرمول مولکولی $$C_3H_8$$ است که در شرایط STP به صورت گاز وجود دارد و برای حمل و نقل، آن‌را متراکم می‌کنند. این ماده، نوعی محصول فرعی حاصل از پالایش نفت خام و فرآیندهای گاز طبیعی است که به طور معمول، به عنوان سوخت، مورد استفاده قرار می‌گیرد. پروپان در سال 1857 توسط شیمیدان فرانسوی، «مارسلین بارتلت» (Marcellin Berthelot) کشف شد و در سال 1911، بهره‌گیری از آن به شکل تجاری میسر شد. پروپان به عنوان یکی از اجزای مخلوط گازهای مایع (LPG) به شمار می‌آید. با توجه به اینکه این ماده، نقطه جوش پایینی دارد، در کپسول‌های خوراک‌پزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پروپان در سوخت خودروها، اتوبوس‌ها، لیفتراک و ... کاربرد دارد. این ماده همچنین در لوکوموتیوهای دیزل بمنظور بهبود احتراق موتور بکار گرفته می‌شود.
تاریخچه پروپان
همانطور که در بالا اشاره شد، پروپان در ابتدا توسط مارسلین بارتلت کشف شد. همچنین، در سال 1864، «ادموند رونالدز» (Edmond Ronalds) این ماده را به صورت محلول در مخازن نفت سبک پنسیلوانیا پیدا کرد. در سال 1910، به عنوان جزء فرار بنزین معرفی شد که آغازی برای ورود آن به صنعت بود.
در سال 1912 بیان شد که یک کپسول از این گاز می‌تواند سوخت پخت و پز و گرمایش یک خانه را تا سه هفته تامین کند. امروزه از این ماده در سوخت بسیاری از خودروهای حمل و نقل عمومی استفاده می‌شود. البته سوخت‌های جایگزین دیگری نیز وجود دارند که خارج از مبحث این آموزش هستند.
منابع پروپان
پروپان، فرآورده فرعی دو فرآیند پالایش گاز طبیعی و نفت خام است. پالایش گاز طبیعی به فرآیند حذف بوتان، پروپان و مقادیر زیادی از اتان از گاز خام گفته می‌شود تا در اثر این کار از میعان این مواد فرار در خطوط لوله گاز طبیعی جلوگیری شود. علاوه بر این، در فرآیند کراکینگ نفت خام، پروپان به عنوان فرآورده فرعی به تولید می‌رسد. با توجه به اینکه این ماده، نوعی فرآورده فرعی محسوب می‌شود، میزان تولید آن‌را نمی‌توان به طور دقیق تنظیم کرد.
خواص و واکنش‌های پروپان
پروپان، گازی بی‌رنگ و بی‌بو است. در فشار معمول، در دمایی پایین‌تر از $$-42$$ درجه سانتی‌گراد به مایع تبدیل می‌شود. این ماده همچون سایر آلکان‌ها در واکنش‌های سوختن شرکت می‌کند و در حضور مقدار اضافی از اکسیژن، آب و دی‌اکسید کربن تولید خواهد کرد. با سوختن کامل پروپان، گرمایی به میزان $$50 M J / k g $$ به تولید می‌رسد.
گرما $$\begin {equation}\mathrm { C } _ { 3 } \mathrm { H } _ { 8 } + 5 \mathrm { O } _ { 2 } \longrightarrow 3 \mathrm { C O } _ { 2 } + 4 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } + \end {equation}$$
زمانی که اکسیژن به مقدار کافی موجود نباشد، فرآورده‌های واکنش، دوده و مونو اکسید کربن خواهند بود:
گرما$$\begin {equation} \begin {aligned}
&\; 2 \mathrm { C } _ { 3 } \mathrm { H } _ { 8 } + 9 \mathrm { O } _ { 2 } \longrightarrow 4 \mathrm { C O } _ { 2 } + 2 \mathrm { C O } + 8 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } +\
\end {aligned} \end {equation}$$
گرما$$\begin {equation} \begin {aligned}
&\; \mathrm { C } _ { 3 } \mathrm { H } _ { 8 } + 2 \mathrm { O } _ { 2 } \longrightarrow 3 \mathrm { C } + 4 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } + \text {}
\end {aligned} \end {equation}$$
سوختن پروپان نسبت به سوختن سایر سوخت‌های فسیلی و بنزین، آلودگی کمتری ایجاد می‌کند. از آن‌جایی که این ماده، هیدروژن زیادی دارد، سوختن آن دمای بیشتری نسبت به سوخت‌های دیگر همچون دیزل دارد. حضور پیوند کربن-کربن به علاوه پیوندهای چندگانه در پروپلین و بوتیلن، پسماندهای آلی دیگری در کنار دی‌اکسید کربن و آب تولید می‌کنند. این پیوندها همچنین سبب میشوند تا پروپان با شعله‌ای مرئی بسوزد.
چگالی پروپان
چگالی گاز پروپان در دمای 25 درجه سانتی‌گراد برابر با $$1. 808 k g / m ^ 3$$ و در حالت مایع، برابر با $$0.493 g / c m ^ 3$$ است.
کاربردهای پروپان
همانطور که در ابتدای متن نیز به آن اشاره شد، به دلیل نقطه جوش پایین، از پروپان در کپسول‌های خوراک‌پزی استفاده می‌شود زیرا بدون نیاز به هیچ دستگاه دیگری، با باز کردن شیر کپسول، پروپان به صورت گاز از کپسول خارج خواهد شد. از آن‌جایی که حمل و نقل این هیدروکربن به سادگی صورت می‌گیرد، گزینه مناسبی برای سوخت منازل دورافتاده جهت پخت و پز و گرمایش به شمار می‌آید. همچنین، در خودروهای بسیار سنگین، پروپان برای تقویت موتور، از طریق یک توربوشارژر با قطرات گازوییل مخلوط می‌شود. به دلیل هیدروژن زیادی که این ماده دارد، به هنگام اختلاط با گازوییل، سبب می‌شود تا گرمای سوختن گازوییل بیشتر شود و در نتیجه، عمل احتراق، کامل‌تر صورت بگیرد. این امر، گشتاور و اسب بخار بیشتری را به همراه احتراق پاک‌تر و کامل‌تر برای خودروهای سنگین به همراه دارد.
زمانی که از این روش، در یک موتور هفت لیتری استفاده شود، بین 20 تا 33 درصد، مصرف سوخت آن کاهش پیدا می‌کند. مشابه این روش نیز در کشتی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این هیدروکربن به طور معمول در سیلندرهای فولادی، به شکل مایع با کمی گاز در بالای آن، حمل می‌شود. فشار بخار سیلندر، تابعی از دما است. زمانی که پروپان گازی با سرعت زیادی تخلیه شود، گرمای نهان تبخیر سبب سرد شدن سیلندر خواهد شد. به همین دلیل، در چنین شرایطی، به طور معمول، آب در اطراف سیلندر میعان می‌کند و بعد از مدتی منجمد می‌شود. از آن‌جایی که پروپان سبک با عدد اکتان بالا، قبل از پروپان با عدد اکتان پایین به بخار تبدیل خواهد شد، خواص سوختنی و گرمایی آن با خالی شدن سیلندر، تغییر می‌کند.
سوخت با خلوص استاندارد
استانداردهای آمریکایی، استاندارد پروپان مورد نیاز خودروها را به صورت $$HD5$$ بیان می‌کنند به این معنی که در نهایت، 5 درصد آن می‌تواند حاوی بوتان باشد. اما پروپانی که در اروپا به فروش می‌رسد، تا ۳۰ درصد شامل بوتان است. این امر، تفاوت بین دو سوخت مورد استفاده در اروپا و آمریکا را نشان می‌دهد. در آسیا و استرالیا نیز، LPG مورد استفاده در خودروها و منازل، درصد بوتان زیادی دارد. برای حمل و نقل این ماده، از کشتی، کامیون و راه‌آهن بهره می‌گیرند.
پروپیلین (پروپن) به عنوان ناخالصی (آلودگی) پروپان تجاری شناخته می‌شود. اگر پروپان، بیش از حد پروپن در خود داشته باشد، برای خودروها مناسب نیست. درجه $$HD5$$ همچنین به منظور مشخص کردن غلظت ۵ درصدی پروپن در پروپان استفاده می‌شود. تمامی سوخت‌های پروپان شامل ماده‌ای به نام اتان‌تیول با بوی مشخص هستند تا در صورت نشت، بوی آن‌ها به راحتی تشخیص داده شود. $$HD5$$ در ابتدا بمنظور بهره‌گیری در سوخت خودروها مورد استفاده قرار گرفت اما امروزه در تمامی مصارف این ماده بکار می‌رود.
به طور معمول، LPG مورد استفاده در کانادا و آمریکا شامل 90 درصد پروپان و 10 درصد بقیه حاوی، اتان، پروپیلن، بوتان و ماده‌ای با بوی مشخص، موسوم به اتیل مرکاپتان است. چنین مقادیری که با نام استاندارد $$HD5$$ شناخته می‌شود، در سال 1835 برای موتورهای درونسوز معرفی شد. البته توجه داشته باشید که تمامی سوخت‌هایی که نام LPG دارند از این استاندارد پیروی نمی‌کنند. در حقیقت، نسبت اصلی این ترکیبات در هر کشور، بسته به قیمت جهانی، شرایط اقلیمی و میزان دسترسی، متفاوت است. در مناطق گرم، درصد بوتان بیشتر و در مناطق سرد، درصد پروپان بیشتر است.
سوخت خودروهای سواری
استفاده از پروپان به عنوان سوخت خودرو روز به روز گسترش پیدا می‌کند. البته در کشور ما به دلیل دسترسی آسان به گاز طبیعی فشرده (CNG)، بهره‌گیری از پروپان رونق کمتری دارد. در آمریکا بیش از 450000 لیفتراک، از پروپان به عنوان سوخت موتور خود کمک می‌گیرند و لازم به ذکر است که این سوخت، سومین سوخت پرمصرف در دنیا شناخته می‌شود. در سال 2007 در حدود 13 میلیون خودرو در دنیا از این سوخت استفاده می‌کردند.
از نقاط قوت این ماده به عنوان سوخت باید به سرعت سوختگیری بالا، قیمت مناسب سیلندر و تغییرات بسیار کم نسبت به قیمت بنزین اشاره کرد. همچنین، به لحاظ زیست‌محیطی و شرایط حمل نقل، سوخت پاک‌تری نسبت به بنزین به شمار می‌آید چراکه در صورت بکارگیری مناسب، دوده کمتری تولید می‌کند و با روغن موتور نیز مخلوط نمی‌شود. عدد اکتان سوخت پروپان در حدود 110 ذکر شده است و در کشورهای پیشرفته، تجهیزات به شکلی مناسب برای استفاده در خودروها توسعه پیدا کرده‌اند. از جمله مزایای دیگر پروپان نسبت به بنزین و گازوییل باید به امکان سرقت و قاچاق کمتر این سوخت اشاره کرد.
از چنین سوختی همچنین در موتورهای بسیار کوچکی استفاده می‌شود که در محل‌های سربسته کاربرد دارند چراکه سوختن کامل‌تری دارند و در محیط‌هایی با اکسیژن کم، کاربرد بیشتری پیدا می‌کنند. برخی از دستگاه‌های چمن‌زنی نیز از پروپان بهره می‌گیرند زیرا آلودگی کمتری دارند.
سردسازی
از گاز پروپان بمنظور سردسازی و همچنین در سفرهای طبیعت‌گردی استفاده می‌شود. علاوه بر این، ترکیب ایزوپروپان خالص $$(R - 290a)$$ و ایزوبوتان $$(R-600a)$$ می‌توانند به عنوان ماده خنک‌کننده گردشی در یخچال‌های پایه کمپرسور مورد استفاده قرار بگیرد. در مقایسه با کلروفلوئورو کربن‌ها، پروپان موجب تخریب اوزون و افزایش گرمای جهانی زمین نمی‌شود و به عنوان جایگزین مناسبی برای گازهایی همچون $$R-134a$$ و سایر کلروفلوئورو کربن‌ها در سیستم‌های تهویه مطبوع شناخته شده است. البته این امر در خصوص تهویه مطبوع خودروها صحت ندارد زیرا با توجه به سوخت خودروها و اشتعال‌پذیر بودن آن، استفاده از پروپان به عنوان گاز سیستم تهویه ممنوع شده است.
سایر کاربردهای پروپان
سایر کاربردهای این ماده در زیر فهرست شده‌اند:
- استخراج چربی‌های حیوانی و گیاهی
- لحیم‌کاری و جوشکاری
- خوراک صنایع پتروشیمی در فرآیند کراکینگ بخار
- رسوب سیلیکون کاربید جهت تولید نیمه‌هادی‌ها
- ماده منفجره در جلوه‌های ویژه سینمایی
- منبسط کننده سوخت در موشک‌ها
- منبسط کننده در لوازم بهداشتی منازل همچون خمیر ریش، اسپری، خوشبو کننده هوا و ...
- خوراک ورودی در تولید پروپیلن و اکرلیک اسید (پروپانوییک اسید)
خطرات پروپان
پروپان ماده‌ای است که تنفس آن سبب خفگی می‌شود. برخلاف گاز طبیعی، پروپان چگال‌تر از هوا است و در نتیجه، در ارتفاع کم و نزدیک سطح زمین تجمع پیدا می‌کند. استنشاق این ماده با مقادیر بسیار زیاد، سبب هیپوکسی یا کاهش اکسیژن‌رسانی به بافت‌های بدن، نارسایی قلبی، ریوی و سکته قلبی خواهد شد. این ماده، خاصیت سمی پایینی دارد چراکه به لحاظ بیولوژیکی، فعال نیست و به سادگی جذب نمی‌شود. گاز پروپان و مخلوط‌های آن در فشار اتمسفری تبخیر و در دمای پایین‌تر از نقطه انجماد آب، سرد خواهند شد. این گاز سرد به صورت مه غلیظ سفید‌رنگی دیده می‌شود که در تماس با پوست، همچون یخ خشک، آن‌را دچار یخ‌زدگی می‌کند.
همانطور که گفته شد، این ماده از هوا سنگین‌تر است. در نتیجه، در شرایط نشتی پروپان در فضای بسته، این هیدروکربن با تجمع در فضای بسته، خطر انفجار و آتش‌سوزی را افزایش می‌دهد. یک اتفاق همیشگی، نشست پروپان از سیلندر در انبارها است. در اثر نشت این ماده و حرکت آن در کف انبار و رسیدن به تاسیساتی همچون آبگرمکن و مشعل موتورخانه، انفجار و آتش‌سوزی رخ می‌دهد. به همین دلیل، از این ماده به عنوان سوخت کشتی استفاده نمی‌شود.
مقایسه پروپان و گاز طبیعی (CNG)
خریداری و نگهداری پروپان به صورت مایع (LPG) انجام می‌شود و در نتیجه، انرژی این سوخت را می‌توان در فضای اندکی ذخیره کرد. گاز طبیعی فشرده (CNG) که به طور عمده از متان تشکیل شده، گاز دیگری است که آن‌هم به عنوان سوخت، مورد استفاده قرار می‌گیرد اما نمی‌توان در دمای معمول، آن‌را به مایع تبدیل کرد. بنابراین، برای ذخیره‌سازی این ماده، به فضا و فشار بسیار زیادی نیاز داریم. این مورد سبب می‌شود تا در تصادفات، کپسول‌های CNG با شدت بسیار زیادی منفجر شوند یا اینکه نشتی حاصل از تصادف، آن‌ها را به یک موشک تبدیل کند. بنابراین، CNG صرفه مناسبی برای ذخیره و نگهداری ندارد چراکه به سیلندرهای بزرگتری برای ذخیره‌سازی نیاز داریم.
راه جایگزین برای ذخیره گاز طبیعی، ذخیره آن به عنوان یک مایع فوق سرد (کریوژنیک) در محفظه‌های عایق است که به این نوع گاز طبیعی، «گاز طبیعی مایع» (Liquefied Natural Gas) یا همان LNG می‌گویند. این روش ذخیره سازی در فشار کم صورت می‌گیرد و بهره‌وری بیش از 3/5 برابری نسبت به CNG دارد. بر خلاف پروپان، با توجه به اینکه CNG وزن کمتری نسبت به هوا دارد، در اثر نشت، خطر انفجار و آتش‌سوزی، بسیار کمتر خواهد بود. گاز پروپان با توجه به هزینه تجهیزات پایین‌تر، به عنوان سوخت خودروها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد چراکه در دمای $$37/7$$ درجه سانتی‌گراد، تنها به ۱۲۲۰ کیلوپاسکال $$(177 \psi)$$ فشار نیاز دارد تا به صورت مایع باقی بماند.
جمع‌بندی
در این آموزش، در خصوص پروپان و شکل‌های مختلف مایع و گاز آن صحبت کردیم. واکنش‌های این هیدروکربن را بررسی کردیم و دانستیم که این ماده، محصول فرعی حاصل از دو فرآیند پالایش گاز طبیعی و نفت خام است. یاد گرفتیم که با توجه به محتوای بالای هیدروژن در این هیدروکربن، از آن به عنوان سوخت تقویت کننده خودروهای سنگین در توربوشارژرها استفاده می‌شود. مزایا و معایب آن به عنوان یک سوخت پاک را بررسی کردیم و خطرات نگهداری و انبار کردن آن را نیز ذکر کردیم.
همچنین، آموختیم که از پروپان، به عنوان ماده جایگزین کلروفلوئورو کربن‌ها در کمپرسور یخچال‌ها بهره می‌گیرند چراکه خطرات کمتری در تخریب اوزون و همچنین گرمایش زمین به همراه دارد اما به دلیل خاصیت انفجاری، در تهویه مطبوع خودروها مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. در انتهای کار نیز مقایسه‌ای بین CNG و LPG ارائه دادیم و از این مقایسه دریافتیم که هزینه‌های ایجاد مراکز سوختگیری CNG، به مراتب بیشتر از LPG است. همچنین، آموختیم که LPG در مقایسه با CNG، انرژی بیشتری را با توجه به شکل مایع خود، ذخیره می‌کند.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد میشوند:
- مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
- مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
- آموزش فلر (Flare) و طراحی آن
- واکنش شیمیایی در گازها — به زبان ساده
- اکتیویته در شیمی — از صفر تا صد
- جدول تناوبی — از صفر تا صد
^^
