認識液化石油氣

台灣區瓦斯器材工業同業公會 總幹事 盧東岳

前言

一般國人常說的燃料名稱「瓦斯」英文&ldquo GAS &rdquo，其實「瓦斯」是一個籠統的名詞，它包括所有可燃性氣體，例如沼氣、煤氣、液化石油氣、天然氣、電石氣等，都稱作瓦斯，作者先就國人及業者較常使用之液化石油氣為文介紹。

液化石油氣一般稱LPG，俗稱瓶裝瓦斯，係英文Liquefied Petroleum Gas之縮寫，是由單一氣體或多個碳氫化合物混合而成。一般來源有二，第一種是來自天然氣的處理廠，在生產原油的國家，如科威特、沙烏地阿拉伯、印尼、伊拉克、加拿大&hellip等地，在生產原油時，都有副產品天然氣的產生，在這種原油副產品的氣體中，可提煉大量液化石油氣銷售市場。

天然氣伴隨原油自油氣井內流出後，經過分離器，將原油及游離水與天然氣分離。此時之天然氣中尚含有多種雜質、水份、以及較重而容易液化之碳氫化合物，此種天然氣，稱之為濕性天然氣。

將濕性天然氣送至天然氣處理廠，除去其中所含之各種雜質與水份，可獲得純淨之天然汽油、液化石油氣、乙烷、以及乾性之天然氣。其處理流程如圖1所示。

第二種來自原油煉製廠，從原油煉製液化石油氣，由於原油之性質與煉製過程之不同，其產品亦不同。通常可分為蒸餾氣、熱分解氣、接觸分解氣、以及接觸改質氣等四種。其產品之成份如表1所示。

(一) 蒸餾氣：蒸餾氣係於原油常壓蒸餾之際，在精餾塔上部排出之氣體。此種氣體與石油系天然氣之成份大致相同，以飽和碳氫化合物為主，不含不飽和之碳氫化合物，硫份少，無惡臭，是一種良質氣體。

(二) 熱分解氣：熱分解氣係於製造熱分解汽油時之大量副產品，主要為不飽和之碳氫化合物，其組成很複雜。

(三) 接觸分解氣：接觸分解氣係以天然或人造白土為觸煤，將煤油或輕油接觸分解所得者，含有較為安定之不飽和之碳氫化合物及異丁烷，含有少量之硫。

(四) 接觸改質氣：接觸改質氣係由原油常壓蒸餾所得，主要成份為飽和之碳氫化合物。上述之四種氣體再經過處理，即可分離出各種產品，再將丙烷與丁烷按照比例混合，即成為液化石油氣。有些地區在液化石油氣內尚混入少量之丙烯與丁烯，台灣則以丙烷與正丁烷各半混合，或以30與70之比例混合。

液化石油氣之性質

我們一般所稱的LPG或液化石油氣，實際乃是由石油中所含的丙烷，丁烷之類比較容易液化的氣體製成的。像丙烷與丁烷由碳原子及氫原子構成化合物，叫做碳氫化合物(Hydrocarbons)。又碳氫化合物中，尤其是一分子內碳原子數少於5個者，稱之為低級碳氫化合物。此外，又常把碳氫化合物叫做烴類。

液化石油氣中所含低級碳氫化合物中，以丙烷(C₃H₈)、丁烷(C₄H₁₀)、丙烯(C₃H₆)、丁烯(C₄H₈)佔多數。由此構成的氣體，在常溫與常壓時為氣體，常溫加壓或常壓降溫，均可成為液體。此時之體積縮小至約僅有氣體時體積之二百五十分之一。反之，當使用時液體變為氣體，其體積又膨脹為二百五十倍。此種特性使液化石油氣在輸送、儲存，以致於使用時均稱便利，所以成為方便、清潔，且受歡迎之大眾化燃料。

液化石油氣無色、無味、無臭、無毒。但成為氣體時，其比重大於空氣，若有洩漏，常滯留於低窪處，容易發生災害。在作為家庭用燃料時，國家規定添加臭劑，以便在洩漏時容易發現。丙烷與丁烷之物理性質如表2所示，至於液化石油氣之性質，由於丙烷與丁烷之混合比例不同而略有差別。

(註)：構成物質之分子量是沒有單位，為方便以克單位表示它的質量，稱為克分子或摩爾。例如一摩爾的丙烷為44g、水為18g，一般空氣每摩爾為29g。

液化石油氣是由丙烷混合而成，其密度可用下列公式計算：

例如以丙烷與丁烷各半混合之液化石油氣，丙烷之分子量為44，丁烷之分子量為58，該種液化石油氣之密度應為：

又如五公斤以液態丙烷與丁烷各半混合之液化石油氣，當其蒸發為氣體時，在標準狀態下之體積應為：

2.500÷44g＝56.82摩爾

2.500÷58g＝43.10摩爾 

(56.82+43.10)×22.4＝2238公升

氣體之密度隨溫度與壓力之變化而變化，以丙烷與丁烷為例，當溫度變化時，其密度變化如下：

若充填過量，容器內之液化石油氣遇熱膨脹，容器即有破裂之危險。液體丙烷之密度與溫度之關係如下：

液化石油氣之比重

氣體的質量在標準狀態( 0^oC，1大氣壓)下與同體積的空氣質量之比，謂之該氣體的比重。一般標準狀態的空氣，22.4l的質量約可認為是29g。至於如何算出，可參考下面的計算。

氣體比重之計算，一般均在同一狀態下與空氣相比，亦即標準狀態的氣體與標準狀態的空氣作比較。

空氣中含有氧、氮、氫等分子，但彼此並無化學的結合，僅是混合在一起而已，故不能稱作化合物。像這種各個物質沒有化學的結合，單是互相混合的情形，叫做混合物。一般的液化石油氣即是丙烷、丁烷的混合物。

液化石油氣之氣熱化

通常將熱量加於一物質時，其溫度隨即上升，將熱量從物質取走時，則物質溫度即下降，像這種關係著物質的溫度變化之熱量，稱之為感熱或顯熱。但水在大氣壓下沸騰時，水的溫度為攝氏一百度，在水全部變成蒸氣之前，雖然繼續加熱，其溫度仍保持不變，冰的情形也與此相同，在冰全部溶化前，無論如何加熱，其溫度始終保持在0^oC。這種僅能使物質發生狀態變化，而其溫度保持不變，所加之熱量，稱之為潛熱。

液體氣化成蒸氣時，必須加以熱量。鋼瓶內之液化石油氣氣化時所需之熱量，若無法從鋼瓶外周取得時，則只得消耗液體本身之熱量，致使液體之溫度隨之下降。此即在大量用氣時，鋼瓶外周常會附著一層白霜之原因。

液化石油氣之蒸氣壓

如圖2所示之容器，容器內裝有某一數量的液化石油氣，當溫度保持一定時，一部分的液狀石油氣就會蒸發而成氣體，而充滿於容器的空間，這蒸氣所表示的壓力，謂之蒸氣壓，這壓力就成了容器內液化石油氣的壓者。此壓力由液面上部壓著液體，而液體亦往上繼續蒸發成氣體，一直達到液面壓力與蒸氣平衡狀態。

如果將容器的閥門打開，充滿容器上部空間的氣體就會消費掉一部分，如此，這部分空間的容還是和原來一樣大，但氣體量減少，當然壓力要降低。此時氣體部分對液面的壓力就會減少，而液狀的液化石油氣又開始沸騰，又蒸發出氣體來。如此容器內的氣體為符合當時的溫度情況，並使容器內液體繼續保持其狀態，就必須維持一定的壓力。這種狀態，叫做氣液的平衡狀態(飽合狀態)，此時之壓力稱為液化石油氣的飽合蒸氣壓。

當溫度一定時，同一物質之蒸氣壓亦為一定，而與其液體數量之多寡無關。例如在鋼瓶內充入液化石油氣10公斤，當消耗至1公斤時，其蒸氣壓仍然保持不變。故在鋼瓶瓶口之調整器一經調整以後，在使用中不需再予調整。但蒸氣壓會隨溫度變化而變化，當溫度上升時，蒸氣壓亦即隨之上升。故鋼瓶不可曝曬，露天之儲槽必須裝置噴水設備，以防液化石油氣因溫度上升而使容器內壓力上升而造成有噴發或容器破裂之危險。

液化石油氣在容器內組成的變化

二種以上碳氫化合物混合之液化石油氣在使用時，其氣體中之成份並非保持一定不變而是隨時都在變動，因此在鋼瓶內之丙烷等沸點較低之成份會先氣化，逐漸留下丁烷等高沸點成份在鋼瓶內，而蒸氣壓亦隨之減低，因此使用液化石油氣時，鋼瓶內壓力會降低之原因，不是液量之減少，而是成份之變化所引起的。

混合的液化石油氣是在鋼瓶內氣化後再輸出使用，當鋼瓶內所剩留液量減少時，瓦斯器具在燃燒時會有黃端焰現象，這是液化石油氣氣體成份中所含丁烷量增多，隨之所需一次空氣呈現不夠所致。灌充在鋼瓶內的液化石油氣只要溫度保持一定，當該液化石油氣成份之蒸氣壓達到平衡狀態時，在此狀態下，所有液化石油氣之混合氣體和液體之成份並不相同，氣體中低沸點成份之含有濃度一定較液體中低沸點成份之含有濃度高。以丙烷和丁烷之混合氣體而言，氣體中之丙烷含量一定較液體中之丙烷量高，因此在某一混合比之丙烷一丁烷混合氣體在使用時，鋼瓶內氣化後輸出之氣體中丙烷濃度總是比液體中之丙烷濃度高。這樣繼續使用，則液體中含丙烷濃度會一直下降，故其蒸氣壓亦會下降，故其蒸氣壓亦會下降。圖3、圖4表示鋼瓶內液體剩餘量和氣化出來之氣體及剩留液體之成份變化。

液化石油氣之熱值與燃燒

熱值係指物質所含熱能之熱量，以卡(Cal)或千卡(kcal)表示之。一卡相當純水一公克之溫度在一大氣壓之下從0^OC升高到100^OC所需熱量之百分之一。卡之一千倍則為千卡，故一公斤在一大氣壓之下從0^OC升高到100^OC所需熱量之百分之一為一千卡。

碳氫化合物燃燒時，由於所含之氫元素會產生水蒸氣，若將該水蒸氣所含之熱量扣除後所剩之熱值，為該碳氫化合物之淨熱值(真發熱量)。若不扣除水蒸氣之熱值，則為該碳氫化合物之總熱值(總發熱量)。通常泛稱之熱值，均指總熱值而言。

液化石油氣完全燃燒後生成二氧化碳與水蒸氣。但若空氣(或氧氣)之供給量少時，液化石油氣就不會完全燃燒，一部分發生不完全燃燒之情形，生成一氧化碳、氫氣、碳等。丙烷之完全燃燒方程式如下：

C₃H₈+5O₂&rarr3CO₂+4H₂O+530Kcal/mol

由上式看來，為使1摩爾的C₃H₈完全燃燒，需要5摩爾的O₂。

因此，丙烷的完全燃燒所必需的理論空氣量是：

5摩爾÷0.21(氧在空氣中所佔容量比例)≒24摩爾

以體積言，欲使1體積的丙烷完全燃燒，需要24體積(24倍)的理論空氣量。都市煤氣之燃燒僅需3~5倍的理論空氣量，丙烷氣燃燒要多出5~8倍。

丙烷氣之熱值可由完全燃燒之方程式計算出來。即1摩爾的C₃H₈完全燃燒後，可發出530Kcal之熱量。

使用液化石油氣應行注意事項

(一) 因具有溶劑功能應注意事項：

液化石油氣與碳氫化合物及有機類溶劑間互有溶解性質，這與汽油同機會溶化天然橡膠，因此選用配管連接部所塗之密封劑，各種配管，O型環、墊片、黃牛油、瓦斯錶用橡皮膜等要特別注意。用壓縮機壓送液化石油氣時會溶化於壓緒機之潤滑油中使其降低粘度及引火點。

(二) 因液化石油氣比重為1.0以上比空氣較重應注意事項：

液化石油氣如有漏出一定積存於下面，因此要裝設鋼瓶存放間之換氣口時要特別小心。檢查液化石油氣有無漏氣時應亦詳細檢查入孔、陰溝等處有無積留液化石油氣。當設計排水溝時應考慮裝設水封在界限處以防萬一有液化石油氣漏出時不致擴大其流出範圍。

(三) 因蒸氣壓力係與液體有相關所必須注意事項：

用泵自貯槽抽取液體送出時如果對貯槽之入熱不夠充分則因所減少液量之蒸氣部份無可發生引起貯槽內壓力下降，泵輸出能力降低或產生汽障。所以必須考慮裝設均壓管。

(四) 隨溫度之變化而液體密度亦會變化：

液態液化石油氣因溫度變化引起之液密度變化量比水之變化大約大四倍。所以在密閉容器內如遇溫度上昇就會產生異常高壓很危險。所以必須考慮裝設安全閥或使不為完全封閉狀態。

(五) 液體蒸發成氣體時必須從外部吸取蒸發潛熱：

由鋼瓶氣態部份直接供應之方式者其液化石油氣蒸發所需熱量係由外氣供給，隨液化石油氣之消耗瓶內液溫逐漸下降。以外氣與液溫之溫度差作吸熱過程中如果不能平衡則液溫繼續下降以致不能保持供應所需之蒸氣壓力。所以在裝設時應考慮這點設法防止。

(六) 具有溫度降低就很容易液化之性質：

如果係純丙烷時由其蒸氣壓表可以得知在水柱300左右之壓力供應瓦斯當不致有任何困難發生。但是液化石油氣用作工業用以強制氣化方式供應時，如果液化石油氣所含丁烷成份較多，雖在正常供應壓力下遇氣溫下降而工廠暫時停工則在配管中會再液化。不過這種再液化現象如果有其他氣體混合(例如氮氣或空氣)則會相當緩和下來。

(七) 因為粘度較低應注意事項：

從細隙漏出液化石油氣之量是液化石油氣本身粘度成反比(按poiseuilles公式)，液化石油氣無論是液態或氣態其粘度甚低，因此對氣密性要特別注意。關於瓦斯漏洩量就一般都市瓦斯和液化石油氣之粘性作一比較：如表2-6。由本表可以看出液化石油氣之漏出速度高達都市瓦斯之漏出速度17倍。可見要保持氣密性是如何重要。

(八) 爆炸下限較低：

爆炸下限是空氣中如有瓦斯漏出而導致爆炸之下限濃度。這爆炸下限低即表示「漏出時其危險性很大」，又如前述液化石油氣之漏洩之容易性有都市瓦斯之17倍大而且其爆炸下限又較都市瓦斯者3~4倍低。丙烷2.1%，丁烷1.9%，而天然氣4.9%，煤炭瓦斯5.5%，丁烷加空氣則為8.5%。所以如果用同一條件作比較液化石油氣將比都市瓦斯有50倍速度發生爆炸之危險。因此對液化石油氣之設施配管更要加緊防漏措施。

＜參考文獻＞

1. 鍾立鶴，認識液化石油氣，財團法人欣然氣體燃料事業研究服務社

2. 李肇祁，瓦斯特性與燃燒，台灣區瓦斯器材工業同業公會。

3. 瓦斯器具安裝技術講習班講義，台灣區瓦斯器材工業同業公會。

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