Właściwości gazu LPG

Opis ogólny

Coraz ostrzejsze normy prawne dotyczące ochrony środowiska naturalnego  były jednym z głównych czynników powodującym spopularyzowanie, wykorzystywanego wcześniej w ograniczonym stopniu  nośnika energii jakim jest gaz płynny propanowo-butanowy LPG (ang. Liquid Petroleum Gas).

Gaz płynny jest paliwem uniwersalnym. Służy do ogrzewania budynków i wody, gotowania, grillowania, oświetlania, pieczenia , suszenia, napędu pojazdów silnikowych, produkcji energii elektrycznej, w palnikach do lutowania, podwyższania temperatury różnych substancji),  jest paliwem wydajnym  i wbrew rozpowszechnionej opinii – nie jest produktem drogim. Gaz LPG jest także doskonałym ekologicznym źródłem energii – jest paliwem o niższym wskaźniku negatywnego wpływu na środowisko od wszystkich paliw tradycyjnych.

Głównymi źródłami pozyskiwania gazu płynnego jest  przerób ropy naftowej w rafineriach oraz kondensaty gazu ziemnego i gazoliny  powstałe w następstwie stabilizacji ropy naftowej wydobywanej na polach naftowych.

Skład gazu płynnego

Gaz płynny należy do grupy gazów płynnych węglowodorowych. Jego głównymi składnikami (w przeciwieństwie do gazu ziemnego z podstawową  zawartością ponad 90% metanu CH4  ) są propan – C3H8 i butan – C4H10 . Mieszanina ta zawiera także niewielkie ilości propylenu, butylenu, metanu, pentanu oraz innych wyższych węglowodorów. Gaz płynny jest gazem bezbarwnym, nietoksycznym oraz łatwopalnym. Gaz  ten gazem bezzapachowym lecz ze względu na bezpieczeństwo użytkowania jest nawaniany organicznym związkiem chemicznym – etanotiolem (merkaptan etylowy). Zgodnie z normą zawartą w PN-EN 589 zapach gazu powinien być nieprzyjemny i wyczuwalny w powietrzu już przy stężeniu stanowiącym 1/5 jego dolnej granicy wybuchowości.  Woń etanotiolu jest wyczuwalna w powietrzu przy stężeniu 0,00035 ppm.

Gęstość właściwa propanu i butanu

Zarówno propan jak i butan są cięższe od powietrza. Gęstości właściwe powietrza, propanu i butanu są następujące:

powietrze – 1,293 kg/m³
propan  – 2,019 kg/m³
butan    – 2,703 kg/m³

Ciężar 1 dm³ ciekłego propanu-butanu wynosi od 0,51 do 0,58 kg
Ciężar 1 m³ fazy gazowej propanu-butanu wynosi od 2,02 do 2,70 kg

Przy przyjęciu, że gęstość właściwa powietrza wynosi jeden, gęstości względne propanu i butanu wyniosą odpowiednio: 1, 56  i 2,09. Liczby te wskazują, że niezależnie od składu procentowego  propanu do butanu w mieszaninie, gaz płynny w fazie gazowej będąc zawsze cięższy od powietrza, po wydobyciu się na zewnątrz, szybko spływa na ziemię, wypierając powietrze i wypełnia każde zagłębienie na podobieństwo wody. Ponieważ gaz płynny bardzo powoli miesza się z powietrzem, może  w przypadku pomieszczeń zamkniętych  długi czas zalegać jego dolne warstwy, stwarzając zagrożenie wybuchem.

Zależność ciśnienia od temperatury

Charakterystyczną cechą gazu płynnego jest jego łatwa zdolność do przechodzenia z fazy gazowej do fazy ciekłej pod ciśnieniem (zwanym ciśnieniem nasycenia)  około 2 – 4 bar w temperaturze pokojowej. Dzięki temu, że gaz LPG staje się płynny pod niskim ciśnieniem i  niewysokiej temperaturze możliwe jest przechowywanie dużych ilości energii w postaci tego gazu w stosunkowo niewielkich naczyniach (butlach i zbiornikach). Przy stałej temperaturze, ciśnienie gazu o określonym składzie jest stałe aż do wyczerpania ciekłej fazy zapasu gazu . Jednak przy wzroście temperatury wzrasta również ciśnienie gazu oraz objętość cieczy. Ta zależność jest  istotna z punktu widzenia magazynowania gazu płynnego w butlach i zbiornikach, gdyż rozszerzalność ciekłego propanu, butanu i ich mieszaniny jest w porównaniu z innymi cieczami wyjątkowo wysoka. Z tego powodu butle i zbiorniki napełnia się gazem  maksymalnie do 85% ich objętości. Nad zwierciadłem cieczy znajduje się wtedy para nasycona w postaci „poduszki gazu” pod ciśnieniem zależnym od wartości temperatury i składu mieszaniny. Przy wzroście temperatury wzrasta również ciśnienie oraz  objętość  cieczy.

Rys. 1. Krzywe nasycenia par propanu, butanu oraz mieszaniny propan-butan. W obszarze ponad krzywą wrzenia gaz płynny znajduje się w stanie ciekłym, a poniżej w stanie gazowym.
W sytuacji, gdy nie przestrzegana jest procedura wypełnienia naczynia gazem płynnym maksymalnie do 85%  jego objętości może się zdarzyć, że przy wzrastającej temperaturze ciecz wypełni całą pojemność tego naczynia. Od tego momentu przyrost ciśnienia następuje szybciej niż wynikałoby to  z krzywej parowania i wynosi 8atm/1ºC, stwarzając tym samym zagrożenie rozerwania zbiornika i zagrożenie wybuchu.

Ciepło parowania

Innymi zaletami wykorzystywanymi w praktyce składników  mieszaniny:  propanu i butanu są ich  różne temperatury parowania . Temperatura parowania czystego propanu wynosi – 42ºC ; poniżej tej temperatury parowanie propanu ustaje.   Temperatura parowania butanu wynosi około 0 º C. Jednak  przechodzenie fazy ciekłej w gazową wymaga doprowadzenia energii (ciepła), zwanej ciepłem parowania. Jego średnia wartość przyjęta dla odparowania  1 kg gazu płynnego  wynosi 418,68 kJ. W przypadku niedostarczenia odpowiedniej ilości ciepła z zewnątrz, ciepło to jest pobierane od parującej cieczy, powodując ochładzanie cieczy i w następstwie spowolnienie lub zatrzymania procesu parowania (następstwem gwałtownego odpływu ciepła bywa szronienie powierzchni butli). Różnice temperatur parowania propanu i butanu  mają znaczenie  w doborze  wyznaczania optymalnej proporcji jej głównych składników  w mieszaninie w poszczególnych porach roku zarówno w odniesieniu do gazu przeznaczonego do napędu pojazdów jak i  gazu w butlach  wykorzystywanego do piecyków lub przygotowywania posiłków.

Wartość opałowa

Wartość opałowa, stanowiąca bazę do przeprowadzania różnego rodzaju obliczeń,  w tym porównawczych, określa się jako całkowitą ilość ciepła, jaką można uzyskać z jednostkowej ilości gazu podczas całkowitego jej spalenia, przebiegającego w warunkach normalnych (tj. temperaturze 273 K i pod ciśnieniem 0,1013 Mpa), przy założeniu że cała woda wydzielająca się w wyniku spalania tej ilości gazu zostanie odprowadzona w postaci pary wodnej wraz z pozostałymi spalinami. Wartość opałowa jest równa  różnicy ciepła spalania i ciepła parowania skroplonej wody.  Wartość opałową oraz ciepło spalania 1kg  mieszaniny  w zależności od jej składu procentowego prezentuje tabela:

Propan  /  butan [%]	100/00	90/100	80/20	70/30	60/40	50/50	40/60	30/70	20/80	10/90	100/00
wartość opałowa[MJ/kg]	46,3	46,23	46,16	46,09	46,02	45,95	45,88	45,81	45,74	45,67	45,6
ciepło spalania[MJ/kg]	50,16	50,09	50,03	49,9	49,89	49,83	49,76	49,75	49,7	49,65	49,5