丙烷

背景

丙烷是一种天然存在的气体，由三个碳原子和八个氢原子组成。它是与各种其他碳氢化合物（如原油、丁烷和汽油）一起通过有机物质长时间的分解和反应而产生的。从地球深处的油田释放后，丙烷与其他石化产品分离并提炼用于商业用途。丙烷属于一类被称为液化石油气 (LPG) 的材料，因其能够在相对较低的压力下转化为液体而闻名。作为液体，丙烷的密度是气体的 270 倍，因此在准备使用之前，它可以作为液体轻松运输和储存。在美国，每年大约消耗 150 亿加仑（570 亿升）的丙烷作为燃料气体。最大的消费者是化学和制造业，它们使用丙烷作为化学中间体和气溶胶推进剂，其次是住宅和商业机构，它们使用丙烷来取暖、烘干机和便携式烤架。

石油产品的价值早已为文明世界所认可，其使用的文献实例可以追溯到 5000 多年前。古代美索不达米亚人将石油衍生的焦油状化合物用于许多应用，包括用于砌筑砖块的嵌缝以及用于珠宝的粘合剂。大约 2,000 年前，阿拉伯科学家学会了石油化学的一个基本原则——可以根据沸点将其蒸馏或分离成不同的部分或馏分，并且每个馏分都有自己独特的特性。

人们认为现代炼油时代始于 1859 年，当时在宾夕法尼亚州发现了石油，塞纳卡石油公司在那里钻了第一口油井。世界上第一口油井从 70 英尺（21.2 米）的深度开始，第一年就生产了近 300 吨（305 公吨）石油，从而诞生了整个行业。丙烷于 1910 年首次被认为是石油的重要成分，当时匹兹堡的一位汽车车主问化学家 Walter Snelling 博士，为什么他回家时购买的加仑汽油已经用完了一半。车主认为政府应该调查消费者被骗的原因，因为汽油蒸发速度快且价格昂贵。斯内林发现大部分液态汽油实际上是由丙烷、丁烷和其他碳氢化合物组成的。使用旧热水器的线圈和其他实验室设备的其他部件，Snelling 建造了一个蒸馏器，可以将汽油分离成液体和气体成分。自 Snelling 时代以来，化学家在处理丙烷和其他液化石油气的技术方面取得了巨大进步。今天，丙烷气的制造在美国是一个价值 80 亿美元的产业。

原材料

因为丙烷具有天然来源，它不是由其他原材料“制成”的；相反，它是在地球深处的石油化学混合物中“发现”的。这些石油混合物实际上是岩石油，是各种富含碳氢化合物的流体的组合 堆积在由砂岩和碳酸盐岩多孔层组成的地下储层中。石油来自于埋藏在早期地质时代沉积物中的各种生物。这些生物体被困在没有氧气的岩层之间，无法完全分解或氧化。相反，在数千万年的时间里，残留的有机物质通过两个主要过程（成岩作用和后生作用）转化为富含丙烷的石油。当有机“汤”经历微生物作用（和一些化学反应）导致脱水、缩合、环化和聚合时，成岩作用发生在 122°F (50°C) 以下。另一方面，催化作用发生在 122-424°F（50-200°C）的高温下，并导致有机材料通过热催化裂化、脱羧和氢歧化反应。这些复杂的反应在沉积岩中形成石油。

制造
过程

丙烷制造涉及从石油来源中分离和收集气体。丙烷和其他 LPG 可以通过以下两种方式之一从石化混合物中分离出来——从石油的天然气相中分离出来，以及通过原油精炼。

1. 当钻井油井开采地下油田时，这两个过程都开始了。气/油烃混合物通过管道从井中排出并进入气阱，气阱将流分离为原油和“湿”气，其中包含天然汽油、液化石油气和天然气。
2. 原油较重，会沉入陷阱底部；然后将其泵入储油罐以供日后精炼。 （虽然丙烷最容易从“湿气”混合物中分离出来，但它可以从原油中生产出来。原油经历了各种复杂的化学过程，包括催化裂化、原油蒸馏等。而产生的丙烷的数量是与从天然气中分离出来的量相比，炼油厂的加工量很小，但它仍然很重要，因为以这种方式生产的丙烷通常用作炼油厂的燃料或制造液化石油气或乙烯。）
3. “湿”气从疏水阀顶部流出，通过管道输送到汽油吸收装置，在那里冷却并通过吸收油泵送以去除天然汽油和液化石油气。剩余的干气，大约 90% 是甲烷，从疏水阀顶部流出，通过管道输送到城镇，由天然气公用事业公司分配。
4. 饱和碳氢化合物的吸收油通过管道输送到蒸馏器，在那里将碳氢化合物蒸发掉。这种石油混合物被称为“野生汽油”。干净的吸收油然后返回吸收器，在那里重复该过程。
5. “野生汽油”被泵送到稳定塔，在那里天然液态汽油从底部排出，液化石油气混合物从顶部排出。
6. 这种液化石油气的混合物约占气体混合物总量的 10%，可以作为混合物使用，也可以进一步分离成三部分——丁烷、异丁烷和丙烷（约占气体混合物总量的 5%）。

质量控制

如上所述，丙烷必须从包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、异丁烷、异丁烯、丁二烯、戊烷和戊烯等在内的复杂石化混合物中小心分离。如果不去除这些杂质，丙烷或丙烷和丁烷混合物将不能正确液化。在适当的温度和压力下液化对于经济上有用的气体至关重要。液化气行业已经建立了标准规范，LPG 混合物必须符合这些规范，才能被视为可接受用作燃气。用于评估这些规格的标准化测试方法由美国测试与材料协会 (ASTM) 批准和发布。例如，被称为“商业丙烷”的 LPG 在 100°F (38°C) 下的最大蒸气压必须为 200 psig，并且残留物质不得超过 0.0017 盎司（0.05 毫升）。此外，挥发性残留物的允许量受到严格限制，并且气体必须符合对铜的腐蚀性、挥发性硫含量和水分的既定准则。丙烷和丁烷的其他混合物是可商购的，它们具有略微不同的目标值。

这些严格遵守的质量标准使丙烷成为一种对环境有吸引力的燃料。事实上，为了满足管道标准，在允许进入管道之前，几乎所有的污染物都从丙烷中去除。当用于适当调整和维护的燃烧器时，丙烷的排放很容易满足环境保护署 (EPA) 制定的清洁空气标准。他们的测试证明，丙烷比其他碳氢能源在环境上更安全，而且经过适当处理的丙烷可以用作发动机燃料，它比汽油清洁得多。研究表明，与汽油相比，丙烷发动机的臭氧形成潜力降低了 45%。 EPA 最近的另一项研究结果表明，根据新的联邦清洁空气标准，丙烷可将碳氢化合物的总排放量减少 29%。此外，一氧化碳排放低于标准93%，碳氢化合物排放低于标准73%，氮氧化物排放低于标准57%。

副产品/废物

如上所述，丙烷的制造会产生多种经济上有用的副产品。实际上，将它们视为副产品而不是副产品更为准确，因为它们是作为石油精炼的一部分与丙烷一起生产的。这些副产品可以是固体、气体或液体的形式。固体（或半固体）包括沥青、硫化氢和二氧化碳，用于燃料用途。液体馏分包括原油，经过进一步精炼以提供各种产品。这些油在外观和物理特性（如沸点、密度、气味和粘度）上有很大差异。原油的不同馏分根据其密度被称为“轻质”或“重质”。轻质原油富含低沸点和链烷烃；重质原油沸点更高，粘度更高。它们会产生各种类似沥青的分子。丙烷生产的许多副产品，如丙烯和丁烯，可用于汽油精炼、合成橡胶制造和石化产品的生产。

未来

随着石油化学领域的发展，丙烷化学将继续发展。将改进丙烷与石油的分离方式。提供进步机会的一个领域是油井生产领域。许多天然气在偏远的油井中燃烧，因为运输天然气所需的大量管道系统非常昂贵。正在努力将更多的这种废气转化为可冷凝气体，以便于储存和运输。同样重要的是要注意，基于经济因素和环境问题，丙烷作为燃料气体可能会越来越受欢迎。事实上，在 1990 年的《清洁空气法案》中，国会将液化石油气命名为清洁燃烧的替代燃料之一，旨在将国家空气质量带入 21 世纪。