プロパン

背景

プロパンは、3つの炭素原子と8つの水素原子で構成される天然ガスです。長期間にわたる有機物の分解と反応により、他のさまざまな炭化水素（原油、ブタン、ガソリンなど）とともに生成されます。プロパンは、地球の奥深くにある油田から放出された後、他の石油化学製品から分離され、商業用に精製されます。プロパンは、液化石油ガス（LPG）として知られる材料のクラスに属しており、比較的低圧で液体に変換できることで知られています。プロパンは液体であるため、気体の270倍のコンパクトさであるため、使用するまで液体として簡単に輸送および保管できます。米国では、年間約150億ガロン（570億L）のプロパンが燃料ガスとして消費されています。最大の消費者は、化学中間体およびエアゾール推進剤としてプロパンを使用する化学および製造業であり、次に、暖房および乾燥機および携帯用グリルにプロパンを使用する住宅および商業施設が続く。

石油製品の価値は文明の世界で長い間認識されており、その使用例は5、000年以上前に記録されています。古代メソポタミア人は、石積みやレンガのコーキング、宝石の接着剤など、多くの用途に石油由来のタールのような化合物を使用していました。約2、000年前、アラビアの科学者は石油化学の基本的な信条の1つを学びました。それは、沸点に基づいて蒸留または別の部分または画分に分離でき、各画分には独自の特性があることです。

精製の現代は、ペンシルベニアで石油が発見され、セナカ石油会社がそこで最初の油井を掘削した1859年に始まったと考えられています。世界初の油井は、深さ70フィート（21.2 m）から、初年度に300トン（305メートルトン）近くの石油を生産し、業界全体が誕生しました。プロパンは、1910年にピッツバーグの自動車所有者が化学者のウォルター・スネリング博士に、家に帰るまでに購入したガソリンのガロンが半分なくなった理由を尋ねたときに、石油の重要な成分として最初に認識されました。車の所有者は、ガソリンが急速かつ高価な速度で蒸発していたため、政府が消費者がだまされている理由を調査する必要があると考えました。 Snellingは、液体ガソリンの大部分が実際にはプロパン、ブタン、およびその他の炭化水素で構成されていることを発見しました。 Snellingは、古い給湯器のコイルやその他の実験装置を使用して、ガソリンを液体成分と気体成分に分離できるスチルを構築しました。スネリングの時代から、化学者はプロパンやその他のLPGを処理する技術に大きな進歩を遂げてきました。今日、プロパンガスの製造は米国で80億ドルの産業です。

原材料

プロパンは天然由来であるため、他の原材料で「作られた」ものではありません。代わりに、それは地球の奥深くにある石油化学混合物に「見られる」。これらの石油混合物は、文字通り岩油であり、さまざまな炭化水素に富む流体の組み合わせです。 は、砂岩と炭酸塩岩の多孔質層でできた地下の貯留層に堆積します。石油は、初期の地質時代の堆積物で埋められたさまざまな生物に由来します。生物は酸素なしで岩の層の間に閉じ込められ、完全に分解または酸化することができませんでした。代わりに、数千万年以上にわたって、残留有機物は、続成作用とカタジェネシスという2つの主要なプロセスを介してプロパンに富む石油に変換されました。続成作用は、有機「スープ」が微生物作用（およびいくつかの化学反応）を受けて脱水、縮合、環化、および重合を引き起こすときに、122°F（50°C）未満で発生します。一方、カタジェネシスは、122〜424°F（50〜200°C）の高温下で発生し、有機材料を熱触媒分解、脱炭酸、および水素不均化を介して反応させます。これらの複雑な反応は、堆積岩で石油を形成します。

製造
プロセス

プロパンの製造には、石油源からのガスの分離と収集が含まれます。プロパンおよびその他のLPGは、石油の天然ガス相からの分離と原油の精製という2つの方法のいずれかで石油化学混合物から分離されます。

1. どちらのプロセスも、地下の油田が油井の掘削によって利用されたときに始まります。ガス/石油炭化水素混合物は、坑井からガストラップにパイプで送られ、ガストラップは、ストリームを原油と、天然ガソリン、液化石油ガス、および天然ガスを含む「ウェット」ガスに分離します。
2. 原油は重く、トラップの底に沈みます。その後、後で精製するために石油貯蔵タンクにポンプで送られます。 （プロパンは「ウェットガス」混合物から最も簡単に分離できますが、原油から製造できます。原油は、接触分解、原油蒸留など、さまざまな複雑な化学プロセスを経ます。製油所の処理は、天然ガスから分離される量に比べて小さいですが、この方法で生成されたプロパンは、製油所の燃料として、またはLPGやエチレンの製造に一般的に使用されるため、依然として重要です。）
3. 「湿った」ガスはトラップの上部から出て、ガソリン吸収プラントにパイプで送られ、そこで冷却されて吸収油にポンプで送られ、天然ガソリンと液化石油ガスが除去されます。残りの乾燥ガスである約90％のメタンは、トラップの上部から出て、ガス会社による配給のために町や都市にパイプで送られます。
4. 炭化水素で飽和した吸収油は、炭化水素が沸騰する蒸留器にパイプで送られます。この石油混合物は「野生ガソリン」として知られています。その後、きれいな吸収油が吸収体に戻され、そこでプロセスが繰り返されます。
5. 「野生ガソリン」はスタビライザータワーにポンプで送られ、そこで天然液体ガソリンが下部から除去され、液化石油ガスの混合物が上部から排出されます。
6. このLPガスの混合物は、全ガス混合物の約10％であり、混合物として使用することも、ブタン、イソブタン、およびプロパン（全ガス混合物の約5％）の3つの部分にさらに分離することもできます。

品質管理

上記のように、プロパンは、メタン、エタン、エテン、プロペン、イソブタン、イソブテン、ブタジエン、ペンタン、ペンテンなどの石油化学製品の複雑な混合物から注意深く分離する必要があります。そのような不純物が除去されない場合、プロパンまたはプロパンとブタンの混合物は適切に液化されません。適切な温度と圧力での液化は、ガスが経済的に有用であるために重要です。液化ガス業界は、LPG混合物が燃料ガスとしての使用に受け入れられると見なされるために準拠しなければならない標準化された仕様を確立しています。これらの仕様を評価するための標準化されたテスト方法は、米国材料試験協会（ASTM）によって承認および公開されています。たとえば、「市販のプロパン」として知られるLPGは、100°F（38°C）で最大蒸気圧が200 psigである必要があり、0.0017オンス（0.05 ml）以下の残留物が存在する可能性があります。さらに、揮発性残留物の許容量は厳しく制限されており、ガスは銅に対する腐食性、揮発性硫黄含有量、および水分に関する確立されたガイドラインを満たす必要があります。わずかに異なる目標値を有するプロパンとブタンの他の混合物が市販されている。

これらの厳格に保持された品質基準により、プロパンは環境的に魅力的な燃料になっています。実際、パイプラインの基準を満たすために、ほとんどすべての汚染物質は、パイプラインに入る前にプロパンから除去されます。適切に調整および保守されたバーナーで使用すると、プロパンの排出量は、環境保護庁（EPA）によって設定された清浄な空気の基準を簡単に満たします。彼らのテストは、プロパンが他の炭化水素エネルギー源よりも環境的に安全であり、適切に処理されたプロパンがガソリンよりも大幅にクリーンなモーター燃料として使用できることを証明しました。研究によると、ガソリンと比較して、プロパンエンジンはオゾン形成の可能性が45％も少ないことが示されています。別の最近のEPA研究の結果は、新しい連邦クリーンエア基準に従って、プロパンが総炭化水素排出量を29％削減することを示しています。さらに、一酸化炭素の排出量は基準を93％下回る、炭化水素の排出量は基準を73％下回る、窒素酸化物の排出量は基準を57％下回る。

副産物/廃棄物

上で詳述したように、プロパンの製造は、経済的に有用な様々な副産物を生成します。実際、これらは石油精製の一環としてプロパンと一緒に生産されるため、副産物ではなく副産物と考える方が正確です。これらの副産物は、固体、気体、または液体の形をとることができます。固体（または半固体）には、瀝青、硫化水素、および二酸化炭素が含まれ、燃料目的で販売されます。液体留分には原油が含まれ、原油はさらに精製されてさまざまな製品が得られます。これらのオイルは、沸点、密度、臭い、粘度などの外観と物理的特性が劇的に異なります。原油のさまざまな留分は、密度に応じて「軽い」または「重い」と呼ばれます。軽質原油は、低沸点およびパラフィン系炭化水素が豊富です。重質原油は、沸騰が高く、粘性が高くなります。それらはさまざまなアスファルトのような分子を生成します。プロピレンやブチレンなどのプロパン製造の副産物の多くは、ガソリンの精製、合成ゴムの製造、および石油化学製品の製造に役立ちます。

未来

石油化学の分野が発展するにつれて、プロパン化学は進歩し続けるでしょう。プロパンを石油から分離する方法が改善されます。進歩の機会を提供する1つの分野は、油井生産の分野です。天然ガスは、輸送に必要な大規模な配管システムが非常に高価であるため、遠隔地の油井で多くの天然ガスが燃焼されます。この無駄なガスの多くを、簡単に保管および輸送できる凝縮性ガスに変換するための取り組みが進行中です。プロパンは、経済的要因と環境への懸念から、燃料ガスとしてますます普及する可能性があることに注意することも重要です。実際、1990年の大気浄化法では、議会はLPGを21世紀に国の大気質を取り入れるために指定されたクリーン燃焼代替燃料の1つとして指定しました。