Propan – charakterystyka, zastosowanie w przemyśle

Ogólna charakterystyka propanu

Propan to trzeci związek w szeregu homologicznym alkanów, o wzorze sumarycznym C₃H₈. Zbudowany jest z trzech atomów węgla oraz ośmiu atomów wodoru. Wszystkie wiązania występujące w cząsteczce propanu mają charakter nasycony.

Propan jest najczęściej przechowywany w zbiornikach pod ciśnieniem, w stanie ciekłym. W trakcie opróżniania butli, ciekły propan pod wpływem spadku ciśnienia odparowuje i przechodzi w gazowy stan skupienia. Jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, dlatego też bardzo często dodaje się do niego substancję zapachową. Charakterystyczny zapach pozwala na szybkie wykrycie wycieków i nieszczelności w instalacjach gazowych. Propan podobnie jak pozostałe alkany jest mało reaktywny chemicznie, co gwarantuje niezmienność jego struktury podczas magazynowania i przechowywania. Opary propanu są cięższe od powietrza, tak więc mają tendencję do osiadania i ścielenia się nisko nad ziemią.

Właściwości fizykochemiczne propanu:

• Bezbarwny i bezwonny gaz.
• Jest nierozpuszczalny w wodzie.
• Dobrze rozpuszcza się w etanolu i eterze dietylowym.
• Z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową.
• Ma gęstość większą od gęstości powietrza.
• Nie jest gazem toksycznym.

Największe ilości propanu pochodzą bezpośrednio z procesów przeróbki ropy naftowej i gazu ziemnego. Z ropy naftowej zwykle jest pozyskiwany na drodze destylacji, w formie mieszaniny z butanem. Propan, jako paliwo kopalne często występuje obok innych gazów, takich jak metan, etan lub butan. Na skalę laboratoryjną zwykle jest otrzymywany w reakcji syntezy np. z użyciem nitrylu kwasu masłowego oraz sodu. Dodatkowo, propan może być pozyskiwany także jako produkt uboczny rafinacji odnawialnego oleju napędowego. W przyszłości, jeśli branża grzewcza będzie w coraz większym stopniu wykorzystywać odnawialny olej napędowy jako paliwo, produkcja propanu może zyskać na znaczeniu, co z kolei spowoduje, że propan zostanie ekologicznym paliwem alternatywnym. Co więcej gaz ten nie jest szkodliwy dla środowiska. W przypadku rozlania bądź uwolnienia, nie stanowi zagrożenia dla gleby, wód powierzchniowych oraz gruntowych.

Podobnie jak w przypadku pozostałych alkanów, propan ulega przede wszystkim reakcjom spalania. W zależności od ilości tlenu biorącego udział w procesie, wyróżnia się reakcje spalania całkowitego i niecałkowitego. W pierwszym przypadku (przy nieograniczonym dopływie tlenu) produktami są tlenek węgla (IV) oraz woda. Z energetycznego punktu widzenia, jest ono najkorzystniejsze. W drugim przypadku (dostęp tlenu jest ograniczony) powstają tlenek węgla (II) – trujący czad – i woda lub pierwiastkowy węgiel i woda.

Poza reakcjami spalania, propan reaguje także z fluorowcami. W praktyce są to najczęściej cząsteczki chloru lub bromu. Mechanizm takich reakcji jest rodnikowy, a cały proces inicjuje światło. Podczas chlorowania lub bromowania, jeden z atomów wodoru w cząsteczce propanu, ulega oderwaniu i zostaje podstawiony rodnikiem fluorowca. Oderwany atom wodoru łączy się z drugim rodnikiem i tworzy cząsteczkę fluorowcowodoru, czyli odpowiednio chlorowodoru lub bromowodoru. Jednak należy pamiętać, że w przypadku alkanów o dłuższych cząsteczkach od etanu, podczas halogenowania powstają produkty izomeryczne. W przypadku propanu może nastąpić podstawienie pierwszorzędowego atomu węgla lub drugorzędowego. Doświadczalnie wyznaczono reaktywność atomów węgla w propanie, o różnej rzędowości. Najbardziej reaktywny jest drugorzędowy – najłatwiej oderwać go od cząsteczki związku. Należy pamiętać, że podczas bromowania lub chlorowania nie otrzymuje się jednej pochodnej, a ich mieszaninę. Zawsze dominuje ta, w której fluorowiec jest podstawiony do drugorzędowego atomu węgla. Ponadto reakcja bromowania jest szczególnie selektywną reakcją. Zwykle wydajność produktu głównego sięga prawie 99%.

Zastosowanie w przemyśle

• Propan to przede wszystkim cenne źródło, z którego pozyskuje się energię. Z uwagi na wysoką liczbę oktanową, bardzo dobrze nadaje się do zastosowania, jako paliwo do silników spalinowych. Propan jest trzecim (zaraz po benzynie i oleju napędowym) najczęściej stosowanym paliwem transportowym na świecie. Propan wykorzystywany w pojazdach określany jest, jako propan HD-5 i stanowi mieszaninę propanu z mniejszymi ilościami innych gazów. Takie paliwo powinno składać się, z co najmniej 90% propanu, nie więcej niż 5% propylenu i 5% innych gazów, głównie butanu i butylenu. Propan ma wyższą liczbę oktanową niż benzyna, dzięki czemu może być stosowany przy wyższych stopniach sprężania silnika i jest bardziej odporny na spalanie stukowe.
• Domowe instalacje grzewcze (przeznaczone na przykład do ogrzewania pomieszczeń domowych lub wody) wykorzystują propan, jako paliwo grzewcze. Zyskuje on dużą popularność wśród właścicieli domów, ze względu na jego wydajność, wszechstronność i dostępność w obszarach, które nie są obsługiwane przez linie gazu ziemnego. Ogrzewanie domu poprzez spalanie propanu zapewnia taki sam komfort i wydajność jak spalanie gazu ziemnego. Co więcej, może ogrzewać szybciej i utrzymywać ciepło w domu dłużej niż w przypadku ogrzewania energią elektryczną. Warto pamiętać, że podczas ogrzewania propanem należy koniecznie zainstalować w domu detektory tlenku węgla (II), który powstaje w wyniku spalania paliwa. Tlenek węgla (II) popularnie nazywany czadem, jest bezwonnym i  silnie trującym gazem.
• Propan to także doskonały czynnik chłodzący w urządzeniach chłodniczych. Używany jest zwykle w małych i średnich przyrządach klimatyzacyjnych i chłodniczych. Czynnik ten jest technicznie opłacalny we wszystkich tych urządzeniach. W tym przypadku wadą stosowania propanu, jest jego wysoka łatwopalność. Co okazuje się szczególnie niebezpieczne podczas wycieku bądź rozszczelnienia instalacji. Obawy związane z wybuchem pożaru oraz ochrona przeciwpożarowa poważnie zahamowały rozpowszechnienie stosowania propanu, jako czynnika chłodniczego w ostatnich latach.
• Propan to także jeden z podstawowych surowców wykorzystywanych w przemyśle chemicznym. Jest stosowany do otrzymywania licznych pochodnych, w tym kwasu akrylowego, kwasu propionowego oraz propylenu.
• Ciekawym zastosowaniem propanu jest wykorzystanie go w suszarkach gazowych, przeznaczonych do suszenia ubrań. Suszarki takie są dobrą alternatywą dla suszarek elektrycznych.
• W przemyśle kosmetycznym propan jest stosowany do napełniania opakowań aerozolami.

Najważniejsze pochodne propanu

Propanol

Jedną z pochodnych propanu jest propanol, który należy do szeregu homologicznego alkoholi. Propanol to bezbarwna, przezroczysta ciecz o ostrym, charakterystycznym zapachu. Bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie i etanolu. Jest cieczą łatwopalną. Z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową. Propanol występuje w dwóch odmianach izomerycznych – n-propanolu oraz 2-propanolu, nazywanego także izopropanolem, w zależności od tego, do którego atomu węgla w cząsteczce zostanie przyłączona grupa hydroksylowa (-OH). Nie jest to związek bezpieczny dla człowieka. Uszkadza układ nerwowy i powoduje stany narkotyczne. Przebywanie w oparach tej substancji wywołuje senność, zawroty głowy, a także zaburzenia wzroku i węchu.

Propanol znajduje zastosowanie głównie w przemyśle chemicznym, głównie, jako rozpuszczalnik. Może znaleźć się także w składzie preparatów do czyszczenia i dezynfekcji powierzchni do zastosowania w medycynie oraz przemyśle spożywczym.

Kwas propionowy

Kwas propanowy lub inaczej propionowy to przykład kwasu karboksylowego o wzorze sumarycznym C₂H₅COOH. Charakterystyczne dla niego jest występowanie w cząsteczce grupy karboksylowej -COOH. Kwas ten przyjmuje postać bezbarwnej, oleistej cieczy, o dużej rozpuszczalności w wodzie. Kwas propionowy cechuje się bardzo cierpkim, nieprzyjemnym zapachem. Jest to substancja łatwopalna, a jego mieszanina z powietrzem jest wybuchowa. Występuje w mleku i przewodzie pokarmowym zwierząt. Wytwarzany jest także w organizmie ludzkim w wyniku rozkładu przez bakterie cukrów, błonnika i pektyn. Proces ten nazywany jest fermentacją propionową.

Jednym z najważniejszych zastosowań kwasu propionowego jest wykorzystanie go w przemyśle spożywczym. Jest on dobrym konserwantem żywności o symbolu E-280. Stanowi dodatek do wyrobów cukierniczych, chleba krojonego, a także chleba żytniego. W paszach kwas propionowy jest stosowany, jako substancja zapobiegająca pleśni.

Glicerol

Glicerol (inaczej gliceryna) to jeden z przedstawicieli trioli. Jego nazwa systematyczna to propano-1,2,3-triol. Zaliczany jest do grupy alkoholi polihydroksylowych. Cząsteczka glicerolu składa się z trzech atomów węgla. Do każdego z nich przyłączona jest jedna grupa hydroksylowa (-OH) oraz atomy wodoru. Glicerol to bezbarwna, bezwonna, oleista ciecz. Charakteryzuje się wysoką łatwopalnością oraz higroskopijnością. Obecność aż trzech grup hydroksylowych, powoduje, że łatwo rozpuszcza się w wodzie – miesza się z nią bez ograniczeń. Glicerol jest bardzo reaktywny chemicznie. Ulega reakcjom spalania oraz estryfikacji z kwasem azotowym (V). Ponadto reaguje z metalami aktywnymi, w wyniku czego powstają sole nazywane alkoholanami.

Glicerol znajduje zastosowanie głównie w kosmetyce. Stanowi jeden ze składników produktów dedykowanych do bezpośredniego użytku na skórę, np. kremów, balsamów i żeli. Kosmetyki zawierające glicerol polecane są szczególnie dla osób z wrażliwą, przesuszoną skórą, a także cierpiącym na choroby skórne (łuszczyca, egzema, atopowe zapalenie skóry itp.). Poza przemysłem kosmetycznym, glicerol jest także stosowany w branży spożywczej. Jest jednym ze składników barwników spożywczych, jest stosowany, jako substancja słodząca, a także wykorzystywany do regulacji i utrzymywania wilgoci na właściwym poziomie.