Propan-Butan: Eigenschaften und Anwendungsgebiete der Flüssiggase

100 Pages·1955·3.205 MB·German

by  Dr.-Ing. Geert Oldenburg (auth.)

Propan-Butan
Eigenschaften und Anwendungsgehiete
der Flüssiggase
Von
Dr .-Ing. Geert Oldenburg
Hamburg
Mit 37 Abbildungen
Springer.V e rl ag
Berlin / Göttingen / Heidelberg
1955
ISBN 978-3-642-53112-5 ISBN 978-3-642-53111-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-53111-8
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®
1955 hy Springer-Verlag ORG., Berlin/Göttingen/Reidelherg.
Vorwort.
Die leichten gasförmigen Kohlenwasserstoffe, die bei der Ver
arbeitung von Erdöl in den Mineralölraffinerien anfallen, waren
ursprünglich Abfallprodukte, für die es wenig Verwendungsmöglich
keiten gab. Man ließ sie ungenutzt entweichen; d. h., sie wurden ab
gefackelt. - Allenfalls ließen sich diese brennbaren Gase als Brennstoff
für die zahlreichen und mannigfaltigen Feuerstellen im Werk selber
verbrauchen, wurden also einem Verwendungszweck zugeführt, der
sonst überwiegend durch schwere Destillationsrückstände, das Heizöl,
bestritten wurde. Nicht lange vor diesem Stadium war auch das Benzin
einmal ein solcher Anfallüberschuß gewesen und mußte teilweise ab
gefackelt werden, bis die zunehmende Motorisierung unserer Zeit es als
wertvollen Brennstoff aufnehmen konnte. - Gerade diese Motori
sierung mit ihrem großen Bedarf an Vergaser- und Dieselkraftstoff ist
es gewesen, die durch die Einführung von Krack- und Hydrieranlagen,
in denen die Destillationsrückstände zu leichten Bestandteilen auf
gespalten wurden, den Anfall von großen Mengen an leichten gas
förmigen Kohlenwasserstoffen herbeiführte. Durch die Abtrennung
der Fraktion Propan bis Butan erhielt man das "Flüssiggas", für das
sich anfänglich nur beschränkte Verwendungsmöglichkeiten im Haus
halt als "Brenngas" und im Otto-Motor des Kraftwagens als "Treib
gas" fanden. Der weitere Ausbau dieser Verwendungsgebiete sowie die
weitere Verbesserung des Flüssiggases durch Trennung der Kompo
nenten Propan und Butan und Abzweigung der ungesättigten Bestand
teile, der Olefine, für die Weiterverarbeitung in der chemischen In
dustrie schufen neue Abnehmerkreise nicht zuletzt in der Industrie
und im Gewerbe.
Heute werden bereits über 250000 t Flüssiggas jährlich in der
Bundesrepublik erzeugt und finden als hochwertiger und begehrter
Brennstoff Abnehmer. Allein 850000 Haushalte verbrauchen jähr
lich etwa 60000 t Flüssiggas. Rund 100000 t werden als Treibgas für
den Betrieb von über 30000 Kraftfahrzeugen verbraucht. Allein die
chemische Industrie übernimmt fast 40000 t ungesättigte Ver
bindungen jährlich für die Weiterverarbeitung zu chemischen Pro
dukten.
Auch bei einer geplanten Produktionserweiterung in den nächsten
Jahren um etwa 20 % ist kein Anteil zu erwarten, der die Bedarfs.
kapazität überschreitet.
l'
4 Vorwort.
Das Flüssiggas hat sich heute auch in der Bundesrepublik einen auf
nahmefähigen Markt erobert, der sich ebenso wie im Ausland inter
essante industrielle Anwendungsgebiete erschließt.
Nur wenigen sind die chemischen und physikalischen Eigenschaften
von Propan und Butan vertraut. Einerseits ist dieser Brennstoff zu
jung, um zum allgemeinen Wissensgebiet zu gehören und andererseits
bietet die deutschsprachige Fachliteratur sehr verstreut und nur wenig
Material. Aus diesem Grunde wurde der Inhalt des vorliegenden Buches
bewußt auf die Praxis eingestellt und auf eine zu theoretische Behandlung
des Themas verzichtet. So wurde auch die Beifügung eines Mollier
Diagramms unterlassen, das vom Kältetechnischen Institut der Tech
nischen Hochschule Karlsruhe verfaßt worden ist. Es soll vor allen Dingen
versucht werden, weitere Kreise mit den Eigenschaften und Anwendungs
gebieten der Flüssiggase vertraut zu machen, wobei dem Verfasser be
wußt ist, daß laufend neue Anwendungsgebiete erschlossen werden.
Hamburg, im Juni 1955. G. Oldenburg.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
A. Eigenschaften der Flüssiggase . 7
1. Begriffserklärung für Flüssiggas 7
2. Gewinnung von Propan-Butan-Flüssiggas 8
3. Chemische Zusammensetzung und Struktur 9
4. Physikalische Eigenschaften. . . . . . . 11
a) Siedeverhalten . . . . . . . . . . . 11
b) Temperaturausdehnung der Flüssigkeit. 17
c) Verbrennungseigenschaften 18
d) Zündverhalten. . . . . . . . . . . 22
e) Thermische Beständigkeit . . . . . 26
5. Sicherheitsmaßnahmen und Vorschriften 29
B. Anwendung der Flüssiggase. . . . 33
1. Lagerung, Abfüllung und Transport. 33
2. Der Druckregler . . . . . . . . . 37
3. Verwendung im Haushalt. 45
4. Einsatz in Gaswerken zur zentralen Verteilung. 54
a) Verteilung von Flüssiggas in einem Rohrleitungssystem 54
b) Verwendung von Flüssiggas-Luft-Mischungen. . . 55
c) Anwendnng von Flüssiggas als Zusatz zum Stadtgas 57
d) Reformierung von Flüssiggas . . . . . . 59
5. Verwendung in der Industrie . . . . . . . 60
a) Verwendung in Verbindung mit Sauerstoff 60
Brennschneiden S.60. - Fugenhobeln S. 71. - Schweißen von
Nichteisenmetallen S. 73. - Hartlöten S. 76. - Aufrauhen von
Basaltpflaster S. 77. - Aufspritzen von Metallen S. 79. - Ent
rosten S.82. - Oberflächenhärtung (Abschreckhärtung) S. 85.
b) Schmelzen und Blasen von Glas. . . . . . . . . 86
c) Sengen (Glattbrennen) von Garnen . . . . . . . 88
d) Löten jeder Art, auch Blei mit Blei (Bleischweißen) 89
e) Abbrennen von Farbe usw. . . . . 90
f) Beheizung von Härte- und Glühöfen 91
g) Erzeugung von Schutzgas 93
h) Betrieb von Wärmestrahlern 95
i) Beleuchtung . . . . . . . 98
k) Aerosoldosen . . . . . . . 99
1) Weitere Anwendungsgebiete 100
A. Eigenschaften der
1. Begriffserklärung für Flüssiggas.
Die Kohlenwasserstoffe Propan (CaHs) und Butan (C4H10) werden
als Flüssiggase bezeichnet, weil sie in ihrer technischen Anwendung
sowohl im flussigen als auch in gasförmigem Zustand angetroffen
werden. Die Benennung "Flüssiggas" ist eine Bezeichnung, die flich
ausschließlich für Propan und Butan eingeführt hat und erhebt keinen
Anspruch auf eine terminologisch richtige Begriffsbestimmung. Mit
der gleichen Berechtigung könnte man auch Wasser als Flüssiggas
oder gar als Festflüssiggas bezeichnen, da es sowohl im festen Aggregat
zustand als Eis als auch in flüssigem als Wasser und im gasförmigen
Zustand als Dampf bekannt ist.
Propan und Butan werden in flüssigem Zustand unter Druck in
Behältern gelagert und transportiert und verdampfen bei der Ent
nahme, sobald sie nicht mehr dem Innendruck des Behälters unter
liegen. Dieser an sich in der Physik durchaus geläufige Übergang einer
Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand kann am einfachsten an Hand
von Wasser erklärt werden:
Wasser ist als Flüssigkeit, die langsam verdunstet, bekannt. Dieses
sogenannte Verdunsten ist ein langsames Verdampfen, das dadurch
ermöglicht ist, daß über der Wasseroberfläche ein gewisses Verdamp
fungsbestreben bzw. ein Dampfdruck herrscht, der von der Wasser
temperatur abhängig ist. Wird die Temperatur des Wassers erhöht, so
wird dadurch die Verdunstung bzw. Verdampfung beschleunigt, da der
Dampfdruck des Wassers dadurch steigt. Bei einer Temperatur von
oe
100 hat dieser erwähnte Dampfdruck den Atmosphärendruck
oe
erreicht bzw. fängt an, ihn zu überschreiten. Die bei 100 damit auf
tretende heftige Verdampfung nennen wir sieden. Das Wasser geht also
oe
bei einer Temperatur von 100 in Dampf, also in seinen gasförmigen
Zustand über.
Setzt man diesen Vorgang unter einen Druck, der über unserem
Atmosphärendruck liegt, so benötigt das Wasser eine höhere Tempera
tur, bis sein Dampfdruck den auf ihm lastenden Druck überschreitet,
oe
d. h. der Siedepunkt wird auf über 100 erhöht. Unter einem Druck
von 10 Atmosphären liegt der Siedepunkt beispielsweise auf 180 °0.
8 Eigenschaften der Flüssiggase.
oe
Bei 10 Atmosphären Druck bleibt Wasser also bis 180 noch flüssig,
oe
d. h. sein Dampfdruck beträgt bis 180 weniger als der auf ihm
lastende Druck von 10 Atmosphären.
Setzt man die Wasseroberfläche unter Unterdruck bzw. Vakuum,
so wird naturgemäß der Siedepunkt schon bei geringerer Temperatur
erreicht, d. h. die Siedetemperatur liegt unter 100 °0.
Aus diesen Ausführungen ist der Einfluß von Temperatur und Druck
auf das Verdampfen von Wasser erkennbar.
Wendet man dies auf Propan an, so entsteht folgende Parallele
zum Verhalten des Wassers:
Die Siedetemperatur, die beim Wasser bei Atmosphärendruck
oe
100 beträgt und die Grenze zwischen flüssigem und gasförmigem
Zustand darstellt, beträgt bei Propan -43 °0. Unter -43 °0 ist dem
nach Propan bei Atmosphärendruck flüssig und darüber gasförmig.
Durch Erhöhung des Druckes kann, wie oben im Beispiel für Wasser
beschrieben, das flüssige Stadium in den Bereich der Raumtemperatur
verschoben werden. Diese Druckerhöhung tritt in der verschlossenen
Propanflasche zwangsläufig dadurch auf, daß ihr Inhalt eine Tempera
+ oe
tur hat, die beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von 10
+
um 43 10 = 53 °0 über dem Siedepunkt liegt. Analog zu Wasser
übertrifft der Dampfdruck der Flüssigkeit dann den Atmosphären
oe
druck, in vorliegendem Fall bei 10 um 5,5 Atmosphären, und beträgt
6,5 ata bzw. 5,5 atü.
Wird das Ventil dieser Propanflasche nun zur Entnahme geöffnet, so
entweicht Propan gasförmig. Dadurch wird der Druck in der Flasche
um ein geringes Maß entlastet. Durch diese Druckentlastung gewinnt
der Dampfdruck der Flüssigkeit wieder Oberhand, das flüssige Propan
in der Flasche gerät wieder ins Sieden und liefert durch Verdampfung
weiteres Gas, bis die Entnahme mit dem Schließen des Ventils wieder
beendet wird.
Das gleiche Verhalten gilt für Butan, bei dem jedoch die Siede
oe
temperatur bei Atmosphärendruck 0 beträgt.
Der Siedepunkt für Propan-Butan-Mischungen liegt rund propor
tional dem Mischungsverhältnis bei Atmosphärendruck zwischen
oe
-43 und 0 °0.
Die Abhängigkeit zwischen Dampfdruck und Temperatur soll in
einem späteren Abschnitt näher behandelt werden.
2. Gewinnung von Propan-Butan-Flüssiggas.
Über den meisten Öllagerstätten befindet sich eine sogenannte Gas
kappe, welche aus Kohlenwasserstoffen besteht, die bei normaler Tem
peratur und normalem Druck gasförmig sind. Handelt es sich bei
Chemische Zusammensetzung und Struktur. 9
diesem Gas vorwiegend um Verbindungen mit drei und vier Kohlenstoff
atomen, so ist es möglich, durch Kondensation unter Druck diese Gas
vorkommen auf diesen Flüssiggasanteil auszubeuten. In Deutschland
spielt diese Art der Gewinnung aus Naturvorkommen keine Rolle, und
man ist auf die bei Raffinationsvorgängen anfallenden Mengen leichter
Spaltprodukte angewiesen.
Der erste Vorgang bei der Raffination ist die Destillation, bei der
jedoch kein Flüssiggas in ausbeutbaren Mengen anfällt. Erst die
Weiterverarbeitung der Toprückstände, also der von Benzin und Diesel
kraftstoff durch Destillation befreiten Rohöle auf leichte Produkte,
bedingt den Anfall größerer Mengen Ca-und C,-Kohlenwasserstoffe. Bei
diesen Vorgängen, die im wesentlichen als Spaltung größerer Moleküle
aufzufassen sind, entstehen neben Cl- und C2- auch Cs-und C,-Kohlen
wasserstoffe sowie in größeren Mengen höhere molekulare Verbin
dungen. Als wesentlichste Raffinationsverfahren, bei denen Flüssiggas
in bedeutenden Mengen anfällt, sind das Kracken und das Hydrieren
zu nennen.
Da die Flüssiggase bei normaler Temperatur und normalem Druck
gasförmig sind, muß zur Gewinnung die Destillation und nachfolgende
Kondensation unter Druck geschehen, wenn man als Kühlmittel
Wasser verwenden will. Eine weitere Möglichkeit, die Kondensation zu
erzwingen, besteht darin, mit Kühlsolen, die Temperaturen unter
-20°C aufweisen müssen, zu arbeiten. In der Praxis hat sich jedoch
gezeigt, daß die Destillation und Kondensation unter Druck wesentlich
wirtschaftlicher arbeitet. Über die anfallenden Mengen an Flüssiggas
ist keine bindende Angabe zu machen, da der Anfall im Rahmen eines
umfangreichen und komplizierten Raffinationsprogrammes mit diesem
ständig wechseln kann und im direkten Zusammenhang mit dem
Bedarf an Dieselkraftstoff und Benzin, den Hauptprodukten aus den
Krack- und Hydrieranlagen, steht.
3. Chemische Zusammensetzung und Struktur.
Propan-Butan-Flüssiggase sind Kohlenwasserstoffe, d. h. Verbin
dungen aus den brennbaren Elementen Kohlenstoff (C) und Wasser
stoff (H Die Struktur dieser Kohlenwasserstoffe wird in Form einer
2).
offenen KHette dargestellt. Die Verbindung entspricht der Summen
formel Cn 2D+2, aus der sich für Propan und Butan das folgende Bild
ergibt:
H H H H H H H
H-t-t-b-H I I I I
Propan: CaHa H-C-C-C-C-H
I I I I I I I
H H H H H H H
10 Eigenschaften der Flüssiggase.
Es hat sich eingebürgert, Propan einfach als Ca-Kohlenwasserstoff
und Butan als C -Kohlenwasserstoff zu bezeichnen.
4
Diese Grundbestandteile Propan und Butan stellen mit geringen
Beimischungen von Äthan (C2Hs) und evtl. auch etwas Pentan (CSH12)
das Flüssiggas dar. - Ein Anteil des Butans liegt im allgemeinen als
Isobutan vor. Dieses ist eine vom sogenannten Normalbutan ab
weichende Modifikation, die die gleiche Elementaranalyse wie Butan
erfüllt, auf Grund ihrer Struktur jedoch abweichende physikalische
Eigenschaften aufweist. Solche Iso-Verbindungen werden als so
genannte Isomeren der gradkettigen Verbindungen bezeichnet und
zeichnen sich in der Struktur zum Unterschied von den geraden
Ketten durch Abzweigungen aus, wie aus folgenden Strukturbildern
ersichtlich ist.
1) H 2) H H
I I I
Isobutan : C H H--C-H H-C-H H-C-H
4 1O
I I
H H H-C C-H
I I I I I
H-C-C-C-H H H
I I I
H H H
Ferner können im Flüssiggas gewisse Mengen an ungesättigten
Kohlenwasserstoffen vorliegen, das sind Verbindungen, bei denen der
Kohlenstoff nicht entsprechend seiner Wertigkeit mit Wasserstoff
abgesättigt ist. Die ungesättigten Verbindungen des Propans und
Butans sind
H H H H H H H
I I I I I I I
C=C=C C=C-C=C
I I I I I I I
H H H H H H H
Die fehlenden Wasserstoffatome sind durch Doppelbindungen
zwischen den Kohlenstoffatomen ersetzt. Die Summenformel dieser
ungesättigten Verbindungen, die allgemein Olefine genannt werden,
lautet CuH2n• Während in Deutschland im Flüssiggas nur geringe
Mengen Olefine enthalten sind, da diese in der chemischen Industrie
zur Herstellung von Alkoholen, Kunststoffen usw. entzogen werden,
enthält das Flüssiggas im Ausland, speziell in einigen Teilen der USA,
erhebliche Mengen an ungesättigten Verbindungen.
In Deutschland macht man einen Unterschied zwischen Treibgas
und Brenngas. Während das sogenannte Treibgas als Treibstoff für
OTTo-Motoren vorgesehen ist und üblicherweise aus einer Mischung aus
Propan, Butan und Isobutan besteht, kann Brenngas günstigstenfalls
fast ausschließlich aus Propan bestehen.
Physikalische Eigenschaften. 11
4. Physikalische Eigenschaften.
a) Siedeverhalten.
In Abschn. 1 wurde beschrieben, daß bei den Gasen Propan und
Butan der flüssige Zustand, der unter Atmosphärendruck nur bis
oe
-43 bzw. 0 existiert, durch eine entsprechende Druckerhöhung auf
eine höhere Temperatur verschoben wird. Die Grenze zwischen dem
flüssigen und gasförmigen Zustand ist der Siedepunkt.
Die folgende Tabelle führt eine Anzahl Substanzen geordnet nach
steigenden Siedepunkten auf. Außer Propan, Isobutan und Butan sind
die Substanzen willkürlich herausgegriffen. Die angeführten Siede
punkte gelten bei Atmosphärendruck. Oberhalb dieser Siedetemperatur
sind die Substanzen gasförmig, unterhalb flüssig.
Tabelle 1.
Stoff I sied~tnkt I TeKmriopteies rcahtue r KrDitrisucchke r
ata
Anilin + 184 +426 52
Wasser +100 +430 224
Benzol. + 80 +289 48
Alkohol + 78 +243 63
Methylalkohol + 65 +240 99
Chloroform + 61 +260 55
Aceton + 56 +235 47
Butan. 0 + 152 35
Isobutan . 12 +134 37
Dimethyläther 24 + 127 53
Ammoniak 33 + 132 112
Propan 43 + 97 42
Äthan. 89 + 35 49
Sauerstoff -183 -119 50
Luft. -193 -141 37
Stickstoff -195 -147 34
Wasserstoff . -253 -240 13
Wird eine der oben aufgeführten Substanzen in einem völlig
geschlossenen, druckfesten Behälter, der natürlich nicht völlig mit
Flüssigkeit gefüllt sein dürfte, über ihre Siedetemperatur erhitzt, so
steigt gemäß den in Absatz 1 gebrachten Ausführungen der Behälter
innendruck, d. h. der Dampfdruck, im Augenblick des Überschreitens
der Siedetemperatur über den Atmosphärendruck, wobei die Substanz
flüssig bleibt. Zu jeder über dem Siedepunkt liegenden Temperatur
gehört demnach ein bestimmter Dampfdruck, der mit Sättigungsdruck
bezeichnet wird. Zu dem Sättigungsdruck gehört also eine bestimmte
Sättigungstemperatur, womit die dem Sättigungsdruck zugeordnete