Большое преимущество пропан-бутановых смесей — их близость по основным характеристикам к традиционным моторным видам топлива. Именно это качество позволило им занять уверенные позиции на рынке.
Углеводороды, входящие в состав попутного нефтяного газа, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, но при увеличении внешнего давления меняют свое агрегатное состояние и превращаются в жидкость. Это свойство позволяет добиться высокой энергетической плотности и хранить сжиженный углеводородный газ (СУГ) в сравнительно простых по конструкции резервуарах.
В отличие от попутного нефтяного газа, углеводороды, входящие в состав природного газа, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии и не меняют своего агрегатного состояния даже при значительном изменении давления. Поэтому хранение сжатого (компримированного) природного газа (КПГ) сопряжено со значительными сложностями — так, резервуар должен выдерживать значительное давление до 200 атмосфер.
Интенсивно продвигаются технологии получения и использования сжиженного природного газа (СПГ), который можно хранить в специальных изотермических сосудах при температуре ниже -160°С и давлении около 40 бар.
Во многом преимущества высокой энергетической плотности СПГ теряются из-за сложности криогенного оборудования, значительно более дорогого и требующего постоянного контроля высококвалифицированного персонала.
Производство СУГ
Основными компонентами сжиженного углеводородного газа являются пропан С3Н8 и бутан С4Н10. Главным образом промышленное производство сжиженного газа осуществляется из следующих источников:
Таблица 1. Физико-химические показатели сжиженного углеводородного газа по ГОСТ 27578-87
Показатель | Марка ГСН | |
ПА | ПБА | |
Массовая доля компонентов, %: | ||
метан и этан | Не нормируется | |
пропан | 90±10 | 50±10 |
углеводороды С4 и выше | Не нормируется | |
непредельные углеводороды, (не более) | 6 | 6 |
Объем жидкого остатка при +40°С, % | Отсутствует | |
Давление насыщенных паров, МПа: | ||
при +45°С, не более | – | 1,6 |
при -20°С, не менее | – | 0,07 |
при -35°С, не менее | 0,07 | – |
Массовая доля серы и сернистых соединений, %, не более | 0,01 | 0,01 |
В том числе сероводорода, %, не более | 0,003 | 0,003 |
Содержание свободной воды и щелочи | Отсутствует |
Компонентный состав сжиженного газа регламентируется техническими нормами ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Технические условия» и ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления. Технические условия». Первый стандарт описывает состав сжиженного газа, используемом в автомобильном транспорте. На сайте компании Техносоюз покрасочные камеры представлены в широком ассортименте, а так же различное оборудование для автосервиса. Зимой предписывается применять сжиженный газ марки ПА (пропан автомобильный), содержащий 85±10% пропана, летом?— ПБА (пропан-бутан автомобильный), содержащий 50±10% пропана, бутан и не более 6% непредельных углеводородов.
ГОСТ 20448-90 имеет более широкие допуски на содержание компонентов, в том числе вредных с точки зрения воздействия на газовую аппаратуру (например, серу и ее соединения, непредельные углеводороды и т.д.). По этим техническим условиям газовое топливо поступает двух марок: смесь пропан-бутановая зимняя (СПБТЗ) и смесь пропан-бутановая летняя (СПБТЛ).
Марка газа ПБА допускается к применению во всех климатических районах при температуре окружающего воздуха не ниже -20°С. Марка ПА используется в зимний период в тех климатических районах, где температура воздуха опускается ниже -20°С (рекомендуемый интервал — -25...-20°С). В весенний период времени для полной выработки запасов сжиженного газа марки ПА допускается его применение при температуре до 10°С.
Давление в баллоне
В закрытом резервуаре СУГ образует двухфазную систему. Давление в баллоне зависит от давления насыщенных паров (давления паров в замкнутом объеме в присутствии жидкой фазы) и характеризует испаряемость сжиженного газа, которая, в свою очередь, зависит от температуры жидкой фазы и процентного соотношения пропана и бутана в ней. Испаряемость пропана выше, чем бутана, поэтому и давление при отрицательных температурах у него выше.
Опыт многолетней практической эксплуатации показывает:
Кроме пропана и бутана, в состав СУГ входит незначительное количество метана, этана и других углеводородов, которые могут изменять свойства смеси. Так, этан обладает повышенным, по сравнению с пропаном, давлением насыщенных паров, что может оказать отрицательное влияние при положительных температурах.
Изменение объема жидкой фазы при нагревании
Пропан-бутановая смесь обладает большим коэффициентом объемного расширения жидкой фазы, который для пропана составляет 0,003, а для бутана — 0,002 на 1°С повышения температуры газа. Для сравнения: коэффициент объемного расширения пропана в 15 раз, а бутана — в 10 раз, больше, чем у воды. Техническими нормативами и регламентами устанавливается, что cтепень заполнения резервуаров и баллонов зависит от марки газа и разности его температур во время заполнения и при последующем хранении. Для резервуаров, разность температур которых не превышает 40° С, степень заполнения принимается равной 85%, при большей разности температур степень заполнения должна снижаться. Баллоны заполняются по массе в соответствии с указаниями «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением». Максимальная допустимая температура нагрева баллона не должна превышать 45°С, при этом упругость паров бутана достигает 0,385 МПа, а пропана — 1,4–1,5 МПа. Баллоны должны предохраняться от нагрева солнечными лучами или другими источниками тепла.
Изменение объема газа при испарении
При испарении 1 л сжиженного газа образуется около 250 л газообразного. Таким образом, даже незначительная утечка СУГ может быть очень опасной, так как объем газа при испарении увеличивается в 250 раз. Плотность газовой фазы в 1,5–2,0?раза больше плотности воздуха. Этим объясняется тот факт, что при утечках газ с трудом рассеивается в воздухе, особенно в закрытом помещении. Пары его могут накапливаться в естественных и искусственных углублениях, образуя взрывоопасную смесь.
Таблица 2. Физико-химические свойства составляющих сжиженного газа и бензина.
Показатель | Пропан | Бутан (нормальный) | Бензин |
Молекулярная масса | 44,10 | 58,12 | 114,20 |
Плотность жидкой фазы при нормальных условиях, кг/м3 | 510 | 580 | 720 |
Плотность газовой фазы, кг/м3: | |||
при нормальных условиях | 2,019 | 2,703 | – |
при температуре 15°С | 1,900 | 2,550 | – |
Удельная теплота испарения, кДж/кг | 484,5 | 395,0 | 397,5 |
Теплота сгорания низшая: | |||
в жидком состоянии, МДж/л | 65,6 | 26,4 | 62,7 |
в газообразном состоянии, МДж/кг | 45,9 | 45,4 | 48,7 |
в газообразном состоянии, МДж/м3 | 85,6 | 111,6 | 213,2 |
Октановое число | 120 | 93 | 72-98 |
Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом при нормальных условиях, % | 2,1–9,5 | 1,5–8,5 | 1,0–6,0 |
Температура самовоспламенения, °С | 466 | 405 | 255–370 |
Теоретически необходимое для сгорания 1 м3 газа количество воздуха, м3 | 23,80 | 30,94 | 14,70 |
Коэффициент объемного расширения жидкой фракции, % на 1°С | 0,003 | 0,002 | – |
Температура кипения при давлении 1 бар, °С | -42,1 | -0,5 | +98...104 (50%-я точка) |