丙(Propane)别名氢化丙烷,二甲烷,为含有三个碳原子的
烷烃,它是无色无毒,有微弱石油气味的气体,
分子式为CH3CH2CH3,1mol丙烷燃烧时放热2205.2 kJ;易燃,自燃点为467℃,燃烧时发黑烟;
极性很弱,能溶于乙醚、乙醇,微溶于水,丙烷性质不活泼,在室温下与强酸、强碱、强氧化剂不发生反应,但在高温和催化剂条件下能反应。
丙烷是制备乙烯和丙烯的重要原料,丙烷燃烧时放出的热量较多,因此也可以作为燃料与冷冻剂使用,相比于汽油内燃机的排放,丙烷的排放更低,另外在炼油厂还用作脱沥青脱硫的溶剂。
丙烷在自然界分布广泛,通常富集于地下的天然气中,在海洋和大气中也有分布。丙烷可通过处理原油和天然气获得,丙烷属于微毒类,有轻微麻痹和刺激作用,高浓度的丙烷会导致
中枢神经系统抑郁以及
心律失常,甚至窒息。接触液体丙烷可能会导致冻伤。
历史
1910年,在美国矿业局工作的沃尔特(Walter)博士在汽油中发现了一种易挥发的物质,即丙烷。这些极为活泼的轻碳氢化合物有着很高的蒸汽压,很容易从未精炼的汽油中挥发。同年3月31日,纽约时报报导了沃尔特博士关于液化气的工作。
此后,沃尔特博士与其他人合作研究出了在精炼汽油的过程中
液化丙烷的办法。他们也一起建立了第一个商业销售丙烷的美国石油气公司,1911年,沃尔特博士已经能够制备高纯度的丙烷并在同年3月25日获得专利,专利号码为1056845。
在“丙烷”中发现的“prop-”根和具有三碳链的其他化合物的名称衍生自“丙酸”,其又以
希腊语单词protos(意思是第一个)和pion(脂肪)命名,“烷”字代表其属于
烷烃化合物,甲、乙、丙等代表化合物所含有的
碳。
自然分布
丙烷在自然界分布广泛,通常富集于地下的天然气中,此外海洋和大气中也有丙烷分布。海洋中的丙烷来源有
天然气水合物分解、尤其渗漏释放以及微生物生成等,大气中的丙烷来源分为人为源和自然源,人为源包括石油开采、汽车尾气排放、
生物质的燃烧等,自然源则包括
植被、湿地以及海洋的释放等,丙烷与
乙烷是大气中含量最高的非甲烷烃,它们都是
温室气体。
理化性质
物理性质
丙烷为无色,有微弱石油气味的气体,相对密度为0.5852 g/ml(-44.5℃,随温度的升高,丙烷的密度逐渐降低),气体比重为1.56(空气为1),凝固点为-187.1 ℃,沸点为-42.1 ℃,闪点为-104 ℃,IDLH(立即威胁生命和健康浓度)=2100 mg/m3,分子量为44.0956;易燃1mol丙烷燃烧时放热2205.2 kJ,
极性很弱,能溶于
乙醚、
乙醇,微溶于水。
化学性质
丙烷为脂肪族
烷烃,化学性质稳定。常温常压下与酸、碱不作用,但在高温和适当的
催化剂存在下,也可发生某些反应。例如在日光或紫外线照射下与
卤族元素发生
取代反应,生成卤素
衍生物;加热至780℃以上发生热解,生成
甲烷和
乙烯,用铬、、钯和钛的
氧化物作催化剂进行加热,发生
脱氢反应,生成
丙烯。
丙烷氧化时生成
丙醇、
2-丙醇、
丙醛、
丙酮、
甲醇、甲醛和
冰醋等,在较高温度下与过量
氯作用,生成
四氯化碳和
四氯乙烯(Cl2C=CCl2),在气相与
硝酸作用,生成
1-硝基丙烷(CH3CH2CH2NO2),
2-硝基丙烷((CH3)2CHNO2)、
79-24-3(CH3CH2NO2)、
硝基甲烷(CH3NO2)的混合物,在低温下易与水形成固态
水合物。
常见的反应
丙烷的燃烧
氧气充足时,丙烷燃烧产生
二氧化碳和水,反应式如下 :
氧气不充足时,丙烷燃烧产生
一氧化碳与水,反应式如下:
丙烷的氯化
丙烷在光照条件下与
氯气发生
取代反应,生成
氯代正丙烷与
氯化氢气体,反应式如下:
丙烷的硝化
丙烷与
硝酸在高温条件下发生
硝化反应,生成
硝基丙烷与水,反应式如下:
丙烷的磺化
丙烷与
硫酸在高温条件下发生磺化反应,生成
磺基丙烷与水,反应式如下:
丙烷与氢气反应
丙烷与氢气在做
催化剂的条件下,生成
乙烷与
甲烷,反应式如下:
应用领域
燃料领域
汽油
发动机一般是四冲程的,附带有离心式飞球调速器,可以采用天然气或丙烷作为燃料的发动机,这种燃料可能较为洁净,而且作为备用燃料时不像汽油那样会失去
挥发性;烧制陶器时也经常使用丙烷作为燃料,此外,丙烷也可以作为海洋船舶电池的燃料,这种能电池小巧、安静又环保,且成本较低。
制造业
丙烷可以作为制作涂在皮肤上用于装饰的产品,例如人体彩绘、记号笔、闪光粉、游戏化妆品、
万圣节化妆品等,使用方便,危害较小。
丙烷还可以用以制作去除与工艺有关的油漆、粘合剂等溶剂型或洗涤型产品,另外丙烷可以作为工艺胶,模板喷剂,具有清洗效果好,操作简便等优点。
丙烷可以用作精炼和气体加工操作的
制冷剂,以及焊接与切割操作的燃料,制冷效果良好。
化工合成
丙烷脱沥青
高粘度润滑油(如
航空发动机润滑油)必须用减压
渣油制取。减压渣油中集中了原油中大部分胶质和
沥青质,仅用
溶剂精制工序难以除干净,过多的沥青质又将影响后续脱蜡过程的顺利进行。所以,必须在精制与脱蜡之前,将渣油中的的胶质和沥青质除去。工业上目前广泛使用液体丙烷来脱除减压渣油中的沥青,在40℃以上,丙烷对脱沥青油的溶解能力随温度度的升高而减小。当达到丙烷的临界状态(96℃,4.2MPa)时,溶解能力最小。利用这种特性,将脱
沥青油升温至丙烷的临界状态,可以有效地使丙烷分离出来循环使用。临界回收比一般的的蒸发回收可节省大量蒸汽和冷却水,同时可提高处理量和节省设备投资。
丙烷脱蜡
丙烷可用于润滑油馏分的脱蜡,因润滑油馏分中的沥青不溶于液体的丙烷中,可分离除去。将除去沥青后的丙烷萃取液蒸发,由于丙烷气化时吸收大量的热,温度下降,
石蜡成
晶体析出。除去石蜡后即可得到不含沥青和石蜡的润滑油。此外,丙烷还用来从香料植物的花中提取
香精油,从农副产品中提取油脂,此种方法耗能较少,对环境较为友好。
丙烷脱氢制丙烯
随着市场对丙烯的需求量日益增长,传统的丙烷生产途径已经无法满足丙烯的需求。丙烷直接
脱氢制丙烯工艺,因其高丙烯选择性,引起了广泛关注。丙烷
催化脱氢生产丙烯(PDH)是一种增产丙烯的重要工艺。该工艺用丙烷生产单一产品丙烯,具有
收率高、技术成熟度高、投资成本较低的特点,是目前最具竞争力的丙烯生产工艺,
炼油厂通过丙烷脱氢工艺可以将低价值的低碳
烷烃资源转化为高价值的丙烯,并与下游
聚丙烯等高端化学品生产形产业链,从而将石油资源更高效的转化为化工产品,可以大幅提高炼油厂的经济效益。
丙烷制丙烯酸
丙烷作为低碳烷烃,具有很高的稳定性,很难被活化,而丙烷选择氧化制取丙烯酸是一个包含脱除4个H和插入2个O的多个基元过程的反应,经历的
反应机理为烷烃→
烯烃→
丙烯醛→丙烯酸,反应过程明确,稳定性好。
丙烷制乙烯
丙烷在高温条件下,可以裂解生成乙烯,
丙烯以及
甲烷跟
氢气,反应式如下:
制备方法
丙烯加氢
制备丙烷时可以向纯的丙烯中加入氢气来制得,反应式如下:
CH3CH2=CH2+H2 = CH3CH2CH3;
该反应中两个氢
原子全部加在了丙烯上,充分利用了原料中的原子,是100%原子经济反应,对环境比较友好。
环丙烷催化加氢
环丙烷不稳定具有较高的
环张力,容易变成
脂肪族化合物,可以发生
取代反应,也可以发生
加成反应而开环,在常压温热,镍作为
催化剂的条件下与
氢气发生催化加氢,生成丙烷,反应式如下:
石油裂分
丙烷能够溶于原油中,在石油开采和炼制时,可作为石油气收集。石油馏分在裂化和催化裂化时,也有大量的丙烷生成。故与丙烷共存的杂质有
甲烷、
乙烷、
丁烷、
乙烯、
丙烯以及低
沸点硫化物、水分等。
精制时将石油经
蒸馏和裂化等过程中生成的气体用油吸收,
活性炭吸附,压缩和冷却使之
液化等方法进行浓缩,再于低温或加压下
分馏以分离丙烷。丙烯等不饱和成分可用
浓硫酸除去或进行
氢化,含硫化合物可用碱洗涤或用
脱硫剂除去。水分用
硫酸、
乙二醇、固态
干燥剂(如
白土、
氧化铝类)和
钠等脱水,也可用
共沸蒸馏的方法除去。丙烷的回收一般用蒸馏,也可用高沸点的烃类吸收或用
吸附剂吸附的方法回收 。
天然气制丙烷
丙烷的主要原料为石油与天然气,将天然气进行加氢处理与
脱硫处理可以除去其他杂质和
硫化物,将天然气通入
蒸馏塔中进行分离,在不同温度下可以分离出不同组分的丙烷,最后经过
冷凝器便可以得到纯净的丙烷。
分子结构
丙烷中含有三个
碳,均为sp3杂化,碳原子之间以及
碳氢之间均通过δ键结合,并且δ键
电子云沿键轴呈圆柱状对成分布,因而成键的原子能够绕轴自由旋转。丙烷分子中键角约为109°28′,C-C键键长约0.154 nm,C-H键键长约为0.110 nm。丙烷分子中碳和氢原子的
电负性虽然不同,但由于分子是对称的,因而丙烷分子无
极性。
安全事宜
毒理数据
大鼠LD50(吞食):>5000mg/kg。
危害
对人体的危害
人在1%浓度下时吸入无影响,10%可出现轻度头晕,但无刺激症状,接触较高浓度的丙烷气体时,可出现头晕、头疼等神经生理反射减弱,另外丙烷也容易导致窒息。
急性中毒
人在10%浓度下无刺激症状,只有轻度头晕;1%无影响,在较高浓度的丙烷和
正丁烷混合气体中毒时,有头晕、头痛、兴奋或嗜睡、恶心、呕吐、流涎、血压轻度降低、脉缓、神经反射减弱,无病理反射;严重者表现为麻醉状态,意识丧失,有的可发生继发性肺炎。
慢性中毒
长期接触低浓度100~300mg/m3的C3-6
烷烃和
烯烃的工人,有头痛、头晕、睡眠不佳 、易疲倦、情绪不稳定、植物神经不稳定如皮肤划痕症、多汗、竖毛肌反射增强、脉搏不稳定、四肢远端感觉减退等。
其他危害
该物质对环境可能有危害,对鱼类和水体要给予特别注意。还应特别注意对
地表水、土壤、大气和
饮用水的污染。
应对措施
急救
眼睛:如果发生眼部组织冻伤,应立即就医,如果未发生组织冻伤,应立即用大量清水彻底清洗眼睛15分钟,若刺激、疼痛、
肿胀、流泪或者
畏光持续存在,应当立即就医;
皮肤:如发生冻伤应当及时就医,切勿揉搓患处或用水冲洗,不要将冻伤区的衣物移除,防止冻伤组织进一步损伤,若没有发生冻伤,立即用肥皂和水进行冲洗被污染的皮肤;
吸入:若不慎吸入大量丙烷,立即将患者转移至新鲜空气处,进行人工呼吸,让患者保持温暖和休息,并尽快就医。
火灾
丙烷密度大于空气,可能沿地面扩散,在远处着火,并且在天花板较低的空间聚集,与空气混合会形成具有爆炸风险的
混合物,遇高温与火星会有爆炸风险,
爆炸极限为2.4-9.5%(体积)。
泄露与消防
若发生丙烷泄露,应立即撤离人员至上风处,并进行隔离,切断火源,也应用工业覆盖层或
吸附/吸收剂盖住泄漏点附近的下水道等地方,防止丙烷气体进入;使室内通风,加速丙烷扩散,并构筑围堤或挖坑收容产生的废水。漏气容器要妥善处理,修复、应检验后再用。一旦发生泄露应当立即切断气源,若无法立即切断气源,则不可熄灭正在燃烧的气体,应当喷水冷却容器。
防护措施
戴护目镜,必要时佩戴化学药筒呼吸器或送风式呼吸器。
储存
丙烷一般使用钢瓶作为储存容器,储存方法有:
1.压力罐:一般小容量储存采用圆管型(水平式);
2.冷冻灌:在
液化石油气贮存方法中,与冷冻输送结合采用冷冻贮存法,即可用
油轮冷冻输送液化石油气,从
船用泵将其移至陆上罐内,在3.92-7.85kPa下贮存。丙烷保持在约-42℃。
3.地下贮存法:
美国与
欧洲各国广泛研究开发使用地下贮存方法。最广泛采用的是利用
石盐层良好的不浸透性,将其一部分人工溶解,在内部贮存。另外,还有人工挖掘的洞穴贮存法、冻结土壤地下储存法等。
储存于阴凉、通风的库房;远离火种、热源。库温不宜超过30℃;应与
氧化剂等分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具,储区应备有泄漏应急处理设备。
运输
搬运时轻装轻卸,防止钢瓶及附件破损,此外应当配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。
操作
密闭操作,全面通风。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。远离火种、热源,工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止气体泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂接触。在传送过程中,钢瓶和容器必须接地和跨接,防止产生
静电。
车间标准
美国普通企业以及联邦建设企业的TWA(安全浓度)为1800 mg/m3,并将其划定为窒息性气体,
奥地利与
丹麦的车间卫生标准MAK(最大容许浓度)为1800 mg/m3,
芬兰的车间标准TWA(安全浓度)为1100 mg/m3。