Propan und Butan: die physikalisch-technischen Eigenschaften

Chemische Formeln von Propan und Butan

Die allgemeinen chemischen Formeln lauten C3H8 für Propan und C4H10 für Butan.

Energiegehalt von Propan und Butan

Heizwert und Brennwert werden verwendet, um den Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffs zu messen. Der Heizwert von Propan beträgt 12,87 kWh/kg, der Brennwert 13,98 kWh/kg. Der Heizwert von Butan liegt bei 12,69 kWh/kg und der Brennwert bei 13,74 kWh/kg.

Verbrennungsgeschwindigkeit

Die Verbrennungs- beziehungsweise Zündgeschwindigkeit ist die Expansionsgeschwindigkeit der Verbrennung, die Flüssiggas bei der Mischung mit Luft oder Sauerstoff erreichen kann. Dabei ist die Ausströmgeschwindigkeit von Flüssiggas in der Luft stets größer als seine Verbrennungsgeschwindigkeit. Deshalb ist ein Flammenrückschlag in den Tank oder die Flasche, unabhängig vom jeweiligen Füllinhalt, ausgeschlossen.

Die Verbrennungsgeschwindigkeit von Propan liegt bei 0,45 m/s und ist damit leicht größer als die von Butan mit 0,39 m/s. Liegt ein Gemisch der beiden Gase als Flüssiggas vor, kann die Verbrennungsgeschwindigkeit je nach den vorhandenen Anteilen variieren.

Dichte von Propan und Butan 

Eine häufige Frage von Flüssiggaskunden ist, ob Flüssiggas oder Propangas schwerer als Luft sind. Die Dichte von Propan und Butan ist druck- und temperaturabhängig.

Vergleich des Normzustands in der Gasphase:

Propan: 2,037 kg/m³
Butan: 2,66 kg/m³

Wie diese Dichtezahlen zeigen, sind Butan- und Propangas deutlich schwerer als Luft – hier beträgt die Dichte je nach Temperatur etwas mehr als 1 kg/m³. Aufgrund der höheren Dichte sinkt Propan oder Butan, das aus seinem Behälter ausströmt, zu Boden und sammelt sich an der tiefsten verfügbaren Stelle. Aus Sicherheitsgründen dürfen Flaschengas oder Flüssiggas in anderen Druckbehältern daher nicht in Räumen unter Erdgleiche gelagert werden.

Bei Flüssiggas unterscheidet man zusätzlich zwischen der Flüssigphase und der Gasphase.
Die Volumenvergrößerung bei der Verdampfung von Flüssiggas ist beachtlich: So nimmt ein Liter flüssiges Propan im gasförmigen Zustand ein Volumen von circa 260 Litern ein.

Flüssiggasbehälter und -flaschen sind nie vollständig gefüllt, da sie einen vorgeschriebenen Gasraum besitzen müssen. Dieser Gasraum dient als Puffer, da der Druckanstieg in einem vollständig mit Flüssiggas gefüllten Behälter bei jedem Grad Celsius Temperaturerhöhung 7 bar Druckerhöhung betragen würde.

Explosionsgrenzen von Propan und Butan 

Flüssiggas im Gemisch mit Luft ist nur in bestimmten Konzentrationsbereichen zünd- beziehungsweise explosionsfähig. Die Explosionsgrenzen sind die Konzentration von Flüssiggas in der Luft, bei deren Unter- oder Überschreitung eine Zündung nicht mehr zu einer weiteren Verbrennung führt.

Energie untere und obere Zündgrenze:
Propan: 2,1 bis 9,5 Vol.-%
Butan: 1,5 bis 10 Vol.-%
zum Vergleich – Erdgas: 4,4 bis 16,5 Vol.-%

Praktisch bedeutet dies ein hohes Maß an Sicherheit, da nur in diesen engen Grenzen überhaupt eine Zündung oder Verpuffung erfolgen kann. Gemische unter dieser Explosionsgrenze sind zu mager, Gemische über diesen Grenzen sind zu fett, um zu explodieren. Erdgas, aber auch viele technische Gase, haben ein sehr viel größeres Verbrennungsspektrum, wodurch zusätzliche, vorbeugende Sicherheitsmaßnahmen notwendig werden.

Siedetemperatur von Propan und Butan 

Bei Erwärmung einer Flüssigkeit erfolgt bei einer bestimmten Temperatur, der sogenannten, vom Druck abhängigen, Siedetemperatur, der Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand. Unter atmosphärischen Bedingungen, also bei 1013 Millibar, liegt der Siedepunkt für Propan und Butan bei den folgenden Temperaturen:

Propan bei -42,1 °C
n-Butan* bei -0,5 °C
zum Vergleich: Wasser hat einen Siedepunkt von +100 °C

* neben n-Butan (Normal-Butan), gibt es noch Isobutan. Die chemische Formel für beide Gase ist C4H10, sie unterscheiden sich allerdings in ihrer Struktur und damit auch in ihren chemischen Eigenschaften. Die Siedetemperatur von Isobutan liegt bei  -11,7 °C.

Dampfdruck

Unter dem Dampfdruck beziehungsweise Sättigungsdruck versteht man den Druck, bei dem der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand erfolgt. Der Dampfdruck von Flüssiggas in einem geschlossenen Behälter ist nur von der Zusammensetzung des Gases und der Temperatur abhängig, nicht vom Füllungsgrad. Dabei gilt: je höher der Dampfdruck, desto höher ist die Siedetemperatur. Aufgrund des geringeren Siedepunkts ist der Dampfdruck von Propan dabei stets höher als der Dampfdruck von Butan.

Wird aus einem Flüssiggasbehälter Gas entnommen, so versucht Flüssiggas seinen Gleichgewichtszustand durch Nachverdampfen der Flüssiggasphase wieder herzustellen. Erst wenn mehr Flüssiggas entnommen wird als die Verdampfungsleistung des Behälters zulässt, erfolgt ein Absinken des Drucks.