Metan, propan ve LPG: her güvenlik mühendisinin bilmesi gereken özellikler

Doğal gazın ana bileşeni olan metan ile sıvılaştırılmış petrol gazının (LPG) bileşenleri olan propan ve bütan hemen hemen aynı şekilde tutuşur: hepsi IIA gaz grubundadır, alt patlama sınırları (APS, İng. LEL) hacimce %1,4 ile %4,4 arasındadır ve T1 (metan) veya T2 (propan, n-bütan) sıcaklık sınıfı gerektirirler. Salındıktan sonraki davranışları ise tamamen farklıdır. Doğal gaz havadan hafiftir (bağıl yoğunluğu yaklaşık 0,55 ile 0,6) ve ortam sıcaklığında basınçla sıvılaştırılamaz; bu nedenle gaz olarak dağıtılır. LPG havadan 1,5 ile 2 kat ağırdır ve kendi buhar basıncı altında sıvı olarak depolanır: bir litre sıvı propan yaklaşık 270 litre gaz verir. Her ikisi de kokusuzdur; tüketicilere verilen gaz, bir kaçak alt patlama sınırının çok altında (ABD kurallarına göre beşte birinde) koku ile fark edilebilsin diye kokulandırılır, proses gazı ise çoğu zaman kokulandırılmaz.

Bu yazı güvenlik açısından önemli olan özellikleri karşılaştırır, LPG ve LNG salımlarının neden göründüğünden çok daha büyük olduğunu açıklar, kokulandırmayı ve sınırlarını ele alır, iyi belgelenmiş kazaları özetler ve bu farkların dedektör yerleşimini ve kalibrasyonu nasıl değiştirdiğini gösterir.

Temel noktalar

• Doğal gaz büyük ölçüde metandır (bağıl yoğunluk 0,554); bir miktar etan ve propan içeren boru hattı gazı 0,6 civarındadır. Kaçaktan yukarı doğru yükselir. LPG (propan 1,52, bütan 2,01) ise çöker, zemin boyunca akar ve çukurlarda, drenajlarda ve bodrumlarda toplanır.
• Propan -42 °C'de, bütan yaklaşık -0,5 °C'de kaynar. 20 °C'de propanın buhar basıncı yaklaşık 8,4 bar mutlaktır; sıvı kaçağı ani buharlaşarak buhar ve damlacıklardan oluşan soğuk, yoğun bir buluta dönüşür.
• Bir litre sıvı propan yaklaşık 0,27 m³ gaz verir; bu, alt patlama sınırında yaklaşık 16 m³ karışım için yeterlidir. Bir litre LNG yaklaşık 0,6 m³ metan verir; bu da yaklaşık 14 m³ için yeterlidir.
• Alt ve üst patlama sınırları (APS / ÜPS, İng. LEL / UEL) (excodex kütüphanesi, IEC verilerinden): metan %4,4 ile %17, propan %1,7 ile %10,9, n-bütan %1,4 ile %9,3. Eski ve Kuzey Amerika kaynaklarının birçoğu metan için %5, propan için %2,1 değerini verir.
• Metan IIA ve T1'dir (kendiliğinden tutuşma sıcaklığı yaklaşık 600 °C); propan IIA ve T2 (450 °C); n-bütan IIA ve T2 (372 °C). Yeraltı kömür madenlerinde metan, Grup I'in referans gazıdır.
• ABD kuralları, dağıtım hatlarındaki doğal gazın ve LPG'nin alt patlama sınırının beşte birinde koku ile fark edilebilecek şekilde kokulandırılmasını şart koşar. Koku bir uyarıdır, algılama sistemi değildir: koku verici madde zayıflayabilir ve burun yorulur.
• Katalitik yanıcı gaz sensörleri %APS cinsinden metana propandan daha duyarlıdır; metanla kalibre edilmiş bir dedektör LPG'yi olduğundan düşük okuyabilir.

Doğal gaz ve LPG nedir

Doğal gaz, en büyük bileşeni metan olan bir karışımdır. ABD Enerji Bilgi İdaresi (EIA) onu, daha küçük miktarlarda doğal gaz sıvıları (etan, propan, bütanlar, pentanlar) ve karbondioksit ile su buharı gibi hidrokarbon olmayan gazlar içeren metan olarak tanımlar; işleme sırasında ağır bileşenlerin çoğu ayrılır, ancak bir miktar etan çoğu zaman bırakılır. Şu biçimlerde kullanılır:

• boru hattı gazı, yüksek basınçlı iletimden düşük basınçlı dağıtıma kadar;
• sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), yüksek basınçta gaz olarak depolanır;
• sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), yaklaşık -162 °C'ye soğutulur ve atmosfer basıncına yakın bir basınçta depolanır. ABD NOAA'ya göre LNG'nin %85'ten fazlası metandır; geri kalanı etan ve eser miktarda daha ağır bileşenlerdir.

Metanın kritik sıcaklığı yaklaşık -83 °C'dir; bu nedenle ortam sıcaklığında yalnızca basınçla sıvılaştırılamaz. Doğal gazın ya gaz olarak sıkıştırılmasının ya da LNG elde etmek için soğutulmasının nedeni budur.

LPG, ABD OSHA tanımının ifadesiyle, ağırlıklı olarak propan, propilen, bütanlar veya bütilenlerden ya da bunların karışımlarından oluşan herhangi bir maddedir. Ticari ürünler neredeyse saf propandan neredeyse saf bütana kadar uzanır; taşıt yakıtı (otogaz) ve farklı iklimler için karışımlar da vardır. Propan ve bütan ortam koşullarında kritik sıcaklıklarının çok altında olduğundan, basınçlı kaplarda, tüplerde ve tanklarda sıvı olarak, sıvının üzerinde buhar bulunacak şekilde depolanır.

Özelliklerin karşılaştırması

Kaynama noktaları, buhar basınçları ve sıvı yoğunlukları NIST Chemistry WebBook akışkan özellikleri verilerinden alınmıştır; genleşme değerleri bunlardan hesaplanmıştır. Yanıcılık verileri excodex kütüphanesindendir (metan, propan, bütan, izobütan); MESG (maksimum deneysel güvenli aralık) değerleri IEC malzeme verisi tablolarından alınmıştır. LPG karışımlarında yaygın olan izobütan yaklaşık -12 °C'de kaynar, APS'si %1,3 ve kendiliğinden tutuşma sıcaklığı 460 °C'dir (T1).

Patlama sınırları: kaynaklar neden farklı değer verir

excodex kütüphanesi, bugün ISO/IEC 80079-20-1 olan IEC malzeme verisi standardının değerlerini kullanır: metan için %4,4, propan için %1,7. NIOSH Pocket Guide gibi ABD verileri propan için %2,1 verir; NOAA ise LNG buharı için %5 değerini aktarır. Farklar deney yöntemlerinden kaynaklanır. Cihaz ayarlarında dedektör üreticisinin ve tesisin uyguladığı standartların belirttiği değerleri kullanın ve tutarlı olun: "%20 APS" alarmı, hangi APS değeri esas alındığına göre farklı bir gaz konsantrasyonu anlamına gelir (bkz. APS ve ÜPS'nin açıklaması).

Propan ve bütanın daha düşük APS değeri, yoğunlukları kadar önemlidir. Yaklaşık %1,7 propan yanıcıdır, metanda ise bu değer %4,4'tür; bu nedenle küçük bir LPG kaçağı daha çabuk yanıcı bir bulut oluşturabilir ve bu bulut yükselerek seyrelmek yerine zemine yakın kalır.

Faz davranışı: sıvılaştırılmış gaz salımları neden büyüktür

Bir LPG tankının buhar bölgesinden olan kaçak gaz salar. Sıvı bölgesinden veya bir sıvı hattından olan kaçak ise, atmosferik kaynama noktasının çok üzerinde olduğu için hemen kaynayan sıvıyı salar. Sıvının bir kısmı anında buharlaşır; geri kalanı damlacıklar ve zeminden ve havadan ısı çekerek buharlaşan soğuk bir gölcük oluşturur. Ortaya çıkan bulut soğuktur, sıvı aerosol içerir ve tablodaki bağıl yoğunluğun düşündürdüğünden çok daha yoğundur (bkz. buhar yoğunluğu).

Faz davranışının üç sonucu daha vardır:

• Buhar basıncı sıcaklığa bağlıdır. Bütanın buhar basıncı 0 °C civarında atmosfer basıncına yakındır; bu nedenle bütan tüpleri soğuk havada az gaz verir, propan ise vermeye devam eder. Tersine, güneş altındaki veya yangına yakın tanklarda basınç hızla yükselir.
• BLEVE. Yangına maruz kalan basınçlı bir LPG kabı, sıvı seviyesinin üzerindeki gövde aşırı ısınıp zayıfladığında hasar görebilir. Kaynayan sıvının ani salımı bir patlama dalgası ve bir ateş topu oluşturur (kaynayan sıvının genleşen buhar patlaması, BLEVE). Acil durum ekipleri yangına maruz kalmış bir LPG tankına yaklaşmak yerine mesafelerini korur.
• LNG'nin kriyojenik tehlikeleri. Soğuk LNG buharı, yaklaşık -110 °C'ye ısınana kadar havadan ağırdır; suya dökülmeler yerel aşırı basınçla birlikte hızlı faz geçişlerine yol açabilir. Soğuk sıvı sıradan karbon çeliğini gevrekleştirir.

Kokulandırma ve sınırları

Metan, propan ve bütanın kokusu yoktur. İnsanların kaçakları fark edebilmesi için genellikle merkaptanlar (etantiyol, etil merkaptan olarak da bilinir) veya tetrahidrotiyofen (tiyofan) gibi kükürt bileşikleri olan koku verici maddeler eklenir.

Diğer ülkelerde de benzer kurallar vardır. Kokulandırmanın, güvenlik mühendislerinin tasarımda hesaba katması gereken sınırları vardır:

• Her gaz kokulandırılmaz. ABD kuralları bazı iletim hatlarını ve endüstriyel beslemeleri muaf tutar; koku verici madde, gazın sonraki kullanımına zarar vereceği yerlerde eklenmez. Proses tesislerindeki, kompresör istasyonlarındaki ve birçok LNG ve besleme gazı tesisindeki gaz kokusuz olabilir.
• Koku zayıflaması. Koku verici madde yeni boru tesisatında ve kaplarda adsorbe olabilir veya oksitlenebilir; bu nedenle gaz yetersiz kokuyla ulaşabilir. Koku yorgunluğu, kişinin kısa bir maruziyetten sonra kokuyu fark etmez hale gelmesidir. Garner, Kuzey Carolina'daki 2009 doğal gaz patlamasından sonra ABD Kimyasal Güvenlik Kurulu (CSB), çalışanların her iki etki konusunda eğitilmesini ve kokuya güvenmek yerine yanıcı gaz dedektörleri kullanılmasını önermiştir.
• APS'nin beşte biri bir uyarı eşiğidir, güvenli bir seviye değildir. İnsanlar gazın kokusunu aldığında, kaçağa daha yakın bir yerde daha zengin bir bulut zaten oluşmuş olabilir.

Dedektör yerleşimi ve kalibrasyon

Fiziksel farklar doğrudan farklı algılama tasarımlarına dönüşür:

Kalibrasyon ve çapraz duyarlılık

Yanıcı gaz dedektörlerine ilişkin IEC kılavuzu (IEC 60079-29-2, birinci baskı) çoğu zaman gözden kaçan noktaları açıklar:

• Katalitik sensörler, %APS cinsinden metana, hidrojen dışındaki diğer gazların çoğuna göre daha güçlü tepki verir. Bu nedenle metanla kalibre edilmiş ve propana maruz kalan bir sensör düşük okur. Metan, vekil kalibrasyon gazı olarak kullanılıyorsa alarm ayar noktası veya kalibrasyon okuması üreticinin bağıl tepki verileriyle düzeltilmelidir.
• Katalitik sensörler zehirlendiğinde ilk kaybedilen metan duyarlılığıdır. Metan bulunabilecek yerlerde, kalibrasyon için başka bir gaz kullanılsa bile saha kontrollerinde metan test gazı önerilir.
• Kızılötesi sensörler yalnızca tasarlandıkları bantta soğurma yapan gazlara tepki verir ve tepkileri gazdan gaza farklıdır. Kızılötesi dedektörü yalnızca kalibre edildiği gaz veya gaz aralığı için kullanın.
• Alarm seviyeleri: aynı kılavuz, yanlış alarmları önlemek için yanıcı gaz alarmlarının metan için %5 APS'nin, propan ve bütan için %10 APS'nin altına ayarlanmamasını önerir. Bkz. gaz dedektörü alarm seviyelerinin belirlenmesi.

Hem doğal gazın hem LPG'nin bulunabileceği yerlerde ya sensörün en az duyarlı olduğu gaza göre kalibrasyon yapın (ve diğer gazlara hâlâ yeterli tepki verdiğini doğrulayın) ya da iki yüksekliğe ayrı dedektörler yerleştirin.

Tipik kazalar

ABD Kimyasal Güvenlik Kurulu, bu özelliklerin etkisini gösteren birkaç ölümlü kazayı incelemiştir:

Dört olaydan ikisinde, yükseldiği için çoğu zaman "daha güvenli" gaz olarak görülen metan söz konusudur. Büyük veya kapalı alandaki doğal gaz salımları LPG salımları kadar ölümcüldür; kaldırma kuvveti ancak gazın gidebileceği bir yer olduğunda işe yarar.

Sık yapılan hatalar ve yanlış kanılar

• "Doğal gaz yükselir, bu yüzden birikemez." Çatıların altında, asma tavan boşluklarında ve üst seviyede açıklığı olmayan her kapalı hacimde birikir; soğuk veya yüksek basınçlı salımlar da başlangıçta yükselmez.
• LPG dedektörlerini solunum yüksekliğine monte etmek. LPG zemin boyunca akar; 1,5 m yükseklikteki bir dedektör, zemin seviyesindeki tabaka yanıcıyken sessiz kalabilir.
• Her ikisi için tek kalibrasyon gazı kullanmak. Metanla kalibre edilmiş katalitik bir dedektör propanı düşük okur; kızılötesi dedektörler de iki gaza farklı tepki verir.
• Kokuya güvenmek. Koku verici madde hiç olmayabilir, zayıflamış olabilir veya artık fark edilmiyor olabilir. Ölçümü sabit veya taşınabilir dedektörler yapar; koku yalnızca bir yedektir.
• Sıvı kaçaklarını küçümsemek. Küçük bir LPG sıvı kaçağı, kendi hacminin yüzlerce katı gaz ve binlerce katı yanıcı karışım oluşturur.
• "IIA"yı "düşük risk" olarak görmek. IIA, ekipman seçimi için alev iletimini ve kıvılcım duyarlılığını tanımlar, bir patlamanın sonuçlarını değil; yukarıdaki dört olayın hepsinde IIA gazlar söz konusudur.

Sık sorulan sorular

Doğal gaz ile LPG arasındaki fark nedir?

Doğal gaz büyük ölçüde metandır, havadan hafiftir ve borularla gaz olarak (veya sıkıştırılmış gaz ya da kriyojenik LNG olarak) dağıtılır. LPG propan, bütan veya bunların karışımıdır, havadan ağırdır ve tanklarda ve tüplerde basınç altında sıvı olarak depolanır. LPG'nin APS'si daha düşüktür (metanın %4,4'üne karşılık yaklaşık %1,4 ile %1,7) ve daha düşük bir sıcaklık sınıfı gerektirir (T1'e karşılık T2).

Propan havadan ağır mıdır?

Evet. Propanın bağıl yoğunluğu 1,52, bütanın 2,01'dir; bu nedenle LPG çöker, zemin boyunca yayılır ve drenajlar, çukurlar, bodrumlar ve mahzenler gibi alçak yerlerde toplanır. LPG dedektörleri alçağa, zemine yakın monte edilir.

Metan ve propanın APS değeri nedir?

excodex kütüphanesindeki IEC tabanlı değerler metan için hacimce %4,4, propan için %1,7'dir; üst sınırlar ise %17 ve %10,9'dur. Eski ve Kuzey Amerika kaynakları çoğu zaman metan için %5, propan için %2,1 verir. Dedektör kalibrasyonu ve alarm ayarları için tek ve tutarlı bir değer seti kullanın.

Metan ve propan hangi sıcaklık sınıfı ve gaz grubundadır?

Her ikisi de IIA gaz grubundadır. Metanın kendiliğinden tutuşma sıcaklığı yaklaşık 600 °C'dir ve T1 gerektirir; propanınki yaklaşık 450 °C'dir ve n-bütan (372 °C) gibi T2 gerektirir. Bu nedenle LPG alanlarındaki ekipman en az IIA T2 olmalıdır. Yeraltı kömür madenlerinde metan, Grup I ekipmanın kapsamındadır.

Metan kokusuz olduğu halde doğal gaz neden kokar?

Kaçakların koku ile fark edilebilmesi için genellikle bir merkaptan veya tetrahidrotiyofen olan bir koku verici madde eklenir. ABD'de dağıtım hatlarındaki gazın alt patlama sınırının beşte birinde koku ile fark edilebilir olması gerekir; LPG de aynı seviyede kokulandırılmalıdır. Koku verici madde yeni boru tesisatında zayıflayabilir ve insanlar kokuları fark etmez hale gelir; bu nedenle dedektörler gerekli olmaya devam eder.

Bir litre sıvı propan ne kadar gaz verir?

15 °C'de ve atmosfer basıncında yaklaşık 270 litre gaz. %1,7'lik alt patlama sınırında havayla karıştığında bu, yaklaşık 16 m³ yanıcı karışım demektir. LPG'nin sıvı fazdaki kaçaklarının göründüğünden çok daha tehlikeli olmasının nedeni budur.

excodex'te ilgili yazılar

• Buhar yoğunluğu: hangi gazlar yükselir, hangileri çöker ve bu neden önemlidir
• Gaz dedektörleri nereye monte edilmeli: yükseklik, mesafe ve sık yapılan hatalar
• Katalitik (pellistor) ve kızılötesi yanıcı gaz dedektörleri
• Akaryakıt istasyonları ve LPG otogaz: pompaların, tankların ve havalandırmaların çevresindeki tehlikeli bölgeler
• Kömür madeni metanı: grizu, izleme ve Grup I ekipman
• Gaz kartları: metan, propan, bütan; standart sayfaları IEC 60079-29-2 ve IEC 60079-10-1; sorular için forum

Standartlar ve ek kaynaklar

• ISO/IEC 80079-20-1, gaz ve buhar sınıflandırması için malzeme özellikleri (APS, ÜPS, kendiliğinden tutuşma sıcaklığı, MESG ve gaz grubu verileri); Hindistan Standartlar Bürosu tarafından kabul edilen 2010 IEC baskısı: https://law.resource.org/pub/in/bis/S05/is.iec.60079.20.1.2010.pdf; IEC web mağazası (güncel baskı, ISO/IEC 80079-20-1:2017): webstore.iec.ch
• IEC 60079-29-2, gaz dedektörleri: seçim, montaj, kullanım ve bakım (2007 birinci baskı, Hindistan Standartlar Bürosu tarafından kabul edilen hali): https://law.resource.org/pub/in/bis/S05/is.iec.60079.29.2.2007.pdf; IEC web mağazası (güncel baskı, IEC 60079-29-2:2015): webstore.iec.ch
• IEC 60079-10-1, alanların sınıflandırılması, patlayıcı gaz ortamları.
• NIST Chemistry WebBook, akışkan sistemlerin termofiziksel özellikleri: https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/
• ABD EIA, Natural gas explained (doğal gaz hakkında açıklamalar): https://www.eia.gov/energyexplained/natural-gas/
• ABD NOAA, deniz yakıtı olarak sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) bilgi notu: https://response.restoration.noaa.gov/sites/default/files/LNG.pdf
• ABD 49 CFR 192.625, gazın kokulandırılması: https://www.law.cornell.edu/cfr/text/49/192.625
• ABD OSHA 29 CFR 1910.110, sıvılaştırılmış petrol gazlarının depolanması ve elleçlenmesi: https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.110
• NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards, propan: https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0524.html
• ABD CSB incelemeleri: Little General Store propan patlaması (2007): https://www.csb.gov/little-general-store-propane-explosion/; Herrig Brothers çiftliği propan tankı patlaması (1998): https://www.csb.gov/herrig-brothers-farm-propane-tank-explosion/; ConAgra doğal gaz patlaması (2009): https://www.csb.gov/conagra-natural-gas-explosion-and-ammonia-release/; Kleen Energy doğal gaz patlaması (2010): https://www.csb.gov/kleen-energy-natural-gas-explosion/

Bu yazı excodex editör ekibinin hazırladığı genel teknik bilgidir. Geçerli standartların, ekipman sertifikalarının ve talimatlarının, ulusal mevzuatın veya yetkin bir kişinin değerlendirmesinin yerini tutmaz.