Propan

Hintergrund

Propan ist ein natürlich vorkommendes Gas, das aus drei Kohlenstoffatomen und acht Wasserstoffatomen besteht. Es entsteht zusammen mit einer Vielzahl anderer Kohlenwasserstoffe (wie Rohöl, Butan und Benzin) durch die Zersetzung und Reaktion organischer Stoffe über lange Zeiträume. Nachdem es aus Ölfeldern tief in der Erde freigesetzt wurde, wird Propan von anderen Petrochemikalien getrennt und für die kommerzielle Nutzung raffiniert. Propan gehört zu einer Klasse von Stoffen, die als verflüssigte Petroleumgase (LPGs) bekannt sind und für ihre Fähigkeit bekannt sind, unter relativ niedrigen Drücken in Flüssigkeit umgewandelt zu werden. Als Flüssigkeit ist Propan 270-mal kompakter als als Gas, wodurch es leicht transportiert und bis zur Verwendung als Flüssigkeit gelagert werden kann. Ungefähr 15 Milliarden Gallonen (57 Milliarden Liter) Propan werden jährlich in den Vereinigten Staaten als Brenngas verbraucht. Die größten Verbraucher sind die chemische Industrie und die verarbeitende Industrie, die Propan als chemische Zwischenprodukte und Aerosoltreibstoffe verwenden, gefolgt von Wohnhäusern und Gewerbebetrieben, die Propan zum Heizen und in Trocknern und tragbaren Grills verwenden.

Der Wert von Erdölprodukten ist seit langem von der zivilisierten Welt anerkannt, wobei dokumentierte Beispiele für ihre Verwendung mehr als 5.000 Jahre zurückreichen. Die alten Mesopotamier verwendeten aus Erdöl gewonnene teerähnliche Verbindungen für viele Anwendungen, darunter zum Abdichten für Mauerwerk und Ziegel und Klebstoffe für Schmuck. Vor etwa 2.000 Jahren lernten arabische Wissenschaftler einen der grundlegenden Lehren der Erdölchemie – dass es destilliert oder in verschiedene Teile oder Fraktionen basierend auf ihrem Siedepunkt getrennt werden kann und dass jede Fraktion ihre eigenen charakteristischen Eigenschaften hat.

Die moderne Ära der Raffination soll im Jahr 1859 begonnen haben, als in Pennsylvania Erdöl gefunden wurde und die Sennaca Oil Company dort die erste Ölquelle bohrte. Aus einer Tiefe von 70 Fuß (21,2 m) förderte die erste Ölquelle der Welt im ersten Jahr fast 300 Tonnen (305 Tonnen) Öl und damit war eine ganze Industrie geboren. Propan wurde erstmals 1910 als wichtiger Bestandteil von Erdöl anerkannt, als ein Autobesitzer aus Pittsburgh den Chemiker Dr. Walter Snelling fragte, warum die Gallone Benzin, die er gekauft hatte, halb aufgebraucht war, als er nach Hause kam. Der Autobesitzer meinte, die Regierung sollte untersuchen, warum die Verbraucher betrogen wurden, weil das Benzin schnell und teuer verdampfte. Snelling entdeckte, dass ein großer Teil des flüssigen Benzins tatsächlich aus Propan, Butan und anderen Kohlenwasserstoffen besteht. Unter Verwendung von Spulen eines alten Warmwasserbereiters und anderer Laborgeräte baute Snelling eine Destillieranlage, die das Benzin in seine flüssigen und gasförmigen Bestandteile trennen konnte. Seit den Tagen von Snelling haben Chemiker enorme Fortschritte bei den Techniken zur Verarbeitung von Propan und anderen LPGs gemacht. Heute ist die Herstellung von Propangas in den Vereinigten Staaten ein 8-Milliarden-Dollar-Industriezweig.

Rohstoffe

Da Propan natürlichen Ursprungs ist, wird es nicht aus anderen Rohstoffen "hergestellt". stattdessen wird es in chemischen Erdölgemischen tief in der Erde "gefunden". Diese Erdölmischungen sind buchstäblich Gesteinsöl, Kombinationen verschiedener kohlenwasserstoffreicher Flüssigkeiten die sich in unterirdischen Reservoirs aus porösen Schichten von Sandstein und Karbonatgestein ansammeln. Erdöl wird aus verschiedenen lebenden Organismen gewonnen, die mit Sedimenten früherer geologischer Epochen begraben sind. Die Organismen waren ohne Sauerstoff zwischen Gesteinsschichten eingeschlossen und konnten nicht vollständig abbauen oder oxidieren. Stattdessen wurde das restliche organische Material über mehrere zehn Millionen Jahre durch zwei primäre Prozesse, Diagenese und Katagenese, in Propan-reiches Erdöl umgewandelt. Die Diagenese tritt unter 122 °F (50 °C) auf, wenn die organische "Suppe" mikrobiellen Wirkungen (und einigen chemischen Reaktionen) unterliegt, die zu Dehydration, Kondensation, Zyklisierung und Polymerisation führen. Die Katagenese findet andererseits bei hohen Temperaturen von 122-424ºF ​​(50-200°C) statt und bewirkt, dass die organischen Materialien über thermokatalytisches Cracken, Decarboxylierung und Wasserstoffdisproportionierung reagieren. Diese komplexen Reaktionen bilden Erdöl in den Sedimentgesteinen.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Propanherstellung beinhaltet die Trennung und Sammlung des Gases aus seinen Erdölquellen. Propan und andere LPGs werden auf zwei Arten aus petrochemischen Gemischen isoliert – durch Abtrennung aus der Erdgasphase von Erdöl und durch Raffination von Rohöl.

1. Beide Prozesse beginnen, wenn unterirdische Ölfelder durch das Bohren von Ölquellen erschlossen werden. Das Gas/Öl-Kohlenwasserstoffgemisch wird aus dem Bohrloch in eine Gasfalle geleitet, die den Strom in Rohöl und "nasses" Gas trennt, das Erdgas, verflüssigte Erdölgase und Erdgas enthält.
2. Rohöl ist schwerer und sinkt auf den Boden der Falle; es wird dann zur späteren Veredelung in einen Öllagertank gepumpt. (Obwohl Propan am einfachsten aus dem "nassen Gas"-Gemisch isoliert wird, kann es aus Rohöl hergestellt werden. Rohöl wird einer Vielzahl komplexer chemischer Prozesse unterzogen, darunter katalytisches Cracken, Rohdestillation und andere. Während die Menge an Propan, die von Die Raffinerieverarbeitung ist im Vergleich zu der aus Erdgas abgetrennten Menge gering, dennoch ist sie wichtig, da auf diese Weise hergestelltes Propan häufig als Brennstoff für Raffinerien oder zur Herstellung von LPG oder Ethylen verwendet wird.)
3. Das "nasse" Gas kommt oben aus der Falle und wird zu einer Benzinabsorptionsanlage geleitet, wo es gekühlt und durch ein Absorptionsöl gepumpt wird, um das natürliche Benzin und die Flüssiggase zu entfernen. Das restliche Trockengas, etwa 90 % Methan, kommt oben aus der Falle und wird zur Verteilung durch Gasversorgungsunternehmen in die Städte geleitet.
4. Das mit Kohlenwasserstoffen gesättigte absorbierende Öl wird in einen Destillierapparat geleitet, in dem die Kohlenwasserstoffe abgekocht werden. Dieses Erdölgemisch ist als "wildes Benzin" bekannt. Das saubere Absorptionsöl wird dann in den Absorber zurückgeführt, wo es den Vorgang wiederholt.
5. Das „wilde Benzin“ wird zu Stabilisatortürmen gepumpt, wo unten das natürliche Flüssigbenzin entnommen und oben ein Flüssiggasgemisch abgezogen wird.
6. Dieses Gemisch aus Flüssiggas, das etwa 10 % des gesamten Gasgemischs ausmacht, kann als Gemisch verwendet oder weiter in seine drei Teile aufgetrennt werden – Butan, Isobutan und Propan (etwa 5 % des gesamten Gasgemischs).

Qualitätskontrolle

Wie oben beschrieben, muss Propan sorgfältig aus einem komplexen Gemisch von Petrochemikalien isoliert werden, das Methan, Ethan, Ethen, Propen, Isobutan, Isobuten, Butadien, Pentan und Penten umfasst, um nur einige zu nennen. Wenn solche Verunreinigungen nicht entfernt werden, verflüssigt sich das Propan oder das Propan-Butan-Gemisch nicht richtig. Die Verflüssigung bei geeigneter Temperatur und geeignetem Druck ist entscheidend, damit das Gas wirtschaftlich nützlich ist. Die Flüssiggasindustrie hat standardisierte Spezifikationen aufgestellt, denen LPG-Gemische entsprechen müssen, um als Brenngas als akzeptabel angesehen zu werden. Standardisierte Testmethoden zur Bewertung dieser Spezifikationen werden von der American Society for Testing and Materials (ASTM) genehmigt und veröffentlicht. Beispielsweise muss das als "kommerzielles Propan" bekannte LPG einen maximalen Dampfdruck von 200 psig bei 100 °F (38 °C) aufweisen und darf nicht mehr als 0,0017 Unzen (0,05 ml) Restmaterial aufweisen. Darüber hinaus ist die zulässige Menge an flüchtigen Rückständen streng begrenzt, und das Gas muss die geltenden Richtlinien für die Korrosivität gegenüber Kupfer, den Gehalt an flüchtigem Schwefel und Feuchtigkeit erfüllen. Andere Mischungen aus Propan und Butan sind im Handel erhältlich, die leicht andere Zielwerte haben.

Diese strengen Qualitätsstandards machen Propan zu einem umweltfreundlichen Brennstoff. Um die Pipeline-Standards zu erfüllen, werden fast alle Schadstoffe aus Propan entfernt, bevor es in die Pipelines gelangen darf. Wenn es in richtig eingestellten und gewarteten Brennern verwendet wird, erfüllen die Propanemissionen problemlos die Standards für saubere Luft, die von der Environmental Protection Agency (EPA) festgelegt wurden. Ihre Tests haben bewiesen, dass Propan umweltverträglicher ist als andere Kohlenwasserstoff-Energiequellen und dass richtig verarbeitetes Propan als Kraftstoff verwendet werden kann, der deutlich sauberer als Benzin ist. Studien haben gezeigt, dass Propanmotoren im Vergleich zu Benzinmotoren ein bis zu 45 % geringeres Ozonbildungspotenzial aufweisen. Die Ergebnisse einer anderen kürzlich durchgeführten EPA-Studie zeigen, dass Propan die Gesamtkohlenwasserstoffemissionen gemäß den neuen Federal Clean Air Standards um 29% reduziert. Darüber hinaus liegen die Kohlenmonoxid-Emissionen 93 % unter der Norm, die Kohlenwasserstoff-Emissionen 73 % unter der Norm und die Stickoxid-Emissionen liegen 57 % unter der Norm.

Nebenprodukte/Abfälle

Wie oben ausführlich beschrieben, erzeugt die Herstellung von Propan eine Vielzahl von Nebenprodukten, die wirtschaftlich nützlich sind. Tatsächlich ist es zutreffender, diese nicht als Nebenprodukte, sondern als Nebenprodukte zu betrachten, da sie zusammen mit Propan bei der Erdölraffination anfallen. Diese Nebenprodukte können in Form von Feststoffen, Gasen oder Flüssigkeiten vorliegen. Feststoffe (oder halbfeste Stoffe) umfassen Bitumen, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid und werden zu Brennstoffzwecken verkauft. Zu den flüssigen Fraktionen gehört Rohöl, das zu verschiedenen Produkten weiterverarbeitet wird. Diese Öle unterscheiden sich stark in Aussehen und physikalischen Eigenschaften wie Siedepunkt, Dichte, Geruch und Viskosität. Die verschiedenen Rohölfraktionen werden je nach Dichte als „leicht“ oder „schwer“ bezeichnet. Leichtes Rohöl ist reich an niedrigsiedenden und paraffinischen Kohlenwasserstoffen; schwere Rohöle sind höhersiedend und viskoser. Sie liefern eine Vielzahl von asphaltähnlichen Molekülen. Viele der Nebenprodukte der Propanproduktion, wie Propylen und Butylen, sind nützlich bei der Benzinraffination, der Herstellung von synthetischem Gummi und der Produktion von Petrochemikalien.

Die Zukunft

Da sich das Gebiet der Erdölchemie weiterentwickelt, wird die Propanchemie weiter voranschreiten. Die Trennung von Propan vom Erdöl wird verbessert. Ein Bereich, der Aufstiegschancen bietet, ist der Bereich der Erdölförderung. Ein Großteil des Erdgases wird an abgelegenen Ölquellen verbrannt, weil das umfangreiche Rohrleitungssystem, das für den Transport erforderlich ist, unerschwinglich teuer ist. Es gibt Bestrebungen, mehr von diesem Abfallgas in kondensierbare Gase umzuwandeln, die leicht gelagert und transportiert werden könnten. Es ist auch wichtig anzumerken, dass Propan aufgrund wirtschaftlicher Faktoren und Umweltbedenken wahrscheinlich als Brenngas immer beliebter wird. Tatsächlich hat der Kongress im Clean Air Act von 1990 LPG als einen der sauber verbrennenden alternativen Kraftstoffe bezeichnet, die dazu bestimmt sind, die nationale Luftqualität ins 21. Jahrhundert zu bringen.