Пропан (C3H8) - насыщенный углеводород ряда алканов, используемый в качестве топлива, сырья для химической промышленности и хладагента. Рассмотрим подробнее способы его получения, химические свойства и области применения.
Получение пропана
Основными способами получения пропана являются:
- Крекинг (термический или каталитический) нефтепродуктов
- Выделение из природного газа и попутного нефтяного газа методом очистки и ректификации
- Гидрирование непредельных углеводородов - пропена и пропина
- Восстановление галогенпроизводных пропана, таких как пропилбромид и пропилиодид
- Реакция Вюрца из галогеналканов
- Декарбоксилирование солей карбоновых кислот, например бутаноата или пентаноата натрия
Рассмотрим некоторые конкретные методы получения пропана более подробно.
Получение пропана из пропена
Одним из распространенных способов является получение пропана путем гидрирования пропена - непредельного углеводорода с одной двойной связью:
CH3-CH=CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3
Процесс проводят при температуре 150-200°С и давлении 2-3 МПа в присутствии катализаторов - никеля, палладия или платины. Выход пропана может достигать 98%.
Получение из 1,2-дибромпропана
Еще один метод синтеза пропана - восстановление 1,2-дибромпропана водородом:
CH3-CHBr-CH2Br + H2 → CH3-CH2-CH3 + 2HBr
Реакция идет при 250°С и давлении H2 около 0.5 МПа, выход пропана составляет 65-75%.
Реакция Вюрца
Пропан можно получить реакцией Вюрца из галогеналканов с использованием металлического натрия или лития:
CH3-CH2Br + CH3Br + 2Na → CH3-CH2-CH3 + 2NaBr
Химические свойства пропана
Пропан - насыщенный углеводород, поэтому он инертен и устойчив к воздействию кислот, щелочей и окислителей. Для него характерны следующие реакции:
- Дегидрирование с образованием пропена
- Галогенирование хлором, бромом и иодом
- Нитрование азотной кислотой с образованием нитропропана
- Горение с образованием CO2 и H2O
Приведем примеры некоторых реакций.
Получение пропилена из пропана
При нагревании в присутствии катализаторов пропан дегидрируется с образованием пропилена:
CH3-CH2-CH3 → CH3-CH=CH2 + H2
В качестве катализаторов используются Pt, Ni, Al2O3 и др. Реакция идет при 500-600°C.
Галогенирование пропана
Пропан вступает в реакции замещения с галогенами, например:
CH3-CH2-CH3 + Br2 → CH3-CHBr-CH3 + HBr
Реакция протекает на свету или при нагревании. Образуется смесь моно-, ди- и трибромпропанов.
Нитрование пропана
При действии азотной кислоты на пропан происходит частичное замещение атомов водорода на нитрогруппу NO 2:
CH3-CH2-CH3 + HNO 3 → CH3-CH(NO 2)-CH3 + H2O
Реакция идет при нагревании и давлении. Образуется смесь нитропропанов.
Применение пропана
Пропан широко используется:
- В качестве газообразного и жидкого топлива для бытовых и промышленных нужд
- Для газопламенной обработки металлов
- В качестве сырья для производства пропилена, полимеров, растворителей
- Как охладитель (хладагент) R290 в холодильном оборудовании
- В пищевой промышленности в качестве пищевой добавки E944
Пропан ценится за удобство использования по сравнению с природным газом. Он сжижается при комнатной температуре под давлением, что позволяет легко его хранить и транспортировать.
В настоящее время ведутся разработки по использованию пропана для получения ценных химических продуктов, в том числе получение аминопропионовой кислоты из пропана. Это перспективное направление развития химии и технологии углеводородного сырья.
Промышленные способы производства пропана
В промышленных масштабах основная доля производимого пропана получается путем фракционирования и очистки попутного нефтяного газа и природного газа, а также в процессах термического и каталитического крекинга нефтепродуктов. Рассмотрим подробнее некоторые ключевые процессы.
Ректификация природного газа
Природный газ, добываемый из скважин, содержит определенное количество пропана, который выделяют методом ректификации. Газ под высоким давлением подается в ректификационную колонну, где при определенной температуре происходит разделение газа на отдельные фракции. Пропан отбирается в виде самостоятельного продукта.
Фракционирование попутного нефтяного газа
Аналогичным образом путем охлаждения и конденсации под высоким давлением из попутного нефтяного газа выделяют фракцию сжиженных газов, куда входит и пропан. Далее методом ректификации полученную смесь разделяют на отдельные компоненты.
Пиролиз или термический крекинг
При нагревании нефтепродуктов без доступа воздуха до температур 500-800°С происходит их термическое разложение (пиролиз). Образуется смесь низших ненасыщенных и насыщенных углеводородов, включая пропан. Продукты пиролиза затем разделяют ректификацией.
Каталитический крекинг
В присутствии катализаторов (цеолиты, алюмосиликаты) крекинг нефтепродуктов идет при более низких температурах (350-500°C). Каталитический крекинг также позволяет получать пропан из тяжелых фракций нефти.
Транспортировка и хранение пропана
Для транспортировки и хранения используют два основных вида пропана:
- Сжиженный пропан, находящийся под давлением в сосудах и резервуарах;
- Сжатый пропан, находящийся под высоким давлением в газообразном состоянии в стальных баллонах.
Сжиженный пропан перевозят в железнодорожных и автомобильных цистернах, а также в газовозах. Для хранения на промышленных объектах используют подземные резервуары и наземные сферические резервуары. Объем хранения может достигать десятков тысяч тонн.
Сжатый пропан заправляют в стальные баллоны и транспортируют на небольшие расстояния или используют для бытовых нужд. Обычно такие баллоны имеют объем 27 или 50 литров.
Безопасность при производстве и использовании пропана
Поскольку пропан является горючим газом, его производство, транспортировка, хранение и использование требуют соблюдения мер пожаро- и взрывобезопасности, а также контроля загазованности.
Основными требованиями являются:
- Герметичность оборудования и коммуникаций
- Наличие систем обнаружения утечек газа
- Автоматизация технологических процессов
- Защита от статического электричества
- Молниезащита сооружений
- Подача инертного газа в аппараты перед ремонтом
Соблюдение этих и других норм позволяет минимизировать вероятность возникновения аварийных ситуаций при использовании пропана.
Перспективы развития производства пропана
В связи с ужесточением экологических требований к топливам и увеличением добычи сланцевых углеводородов ожидается дальнейший значительный рост производства сжиженных газов, в первую очередь пропана.
Кроме того, ведутся разработки инновационных катализаторов и процессов, позволяющих селективно получать пропан из различного углеводородного сырья с высоким выходом. Это также будет способствовать наращиванию его производства в ближайшие годы.
