石油精製の仕組み

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油田イメージギャラリー製油所は、原油をガソリンやプラスチックなどの製品に加工します。油田と精製の写真をもっと見る。写真提供：フィリップス石油会社

映画やテレビ番組 –ジャイアント、オクラホマ原油、アルマゲドン、ビバリーヒルビリー– では、地面や掘削プラットフォームから濃厚な黒い原油が噴出している映像を見たことがあるでしょう。

しかし、車にガソリンを入れると、ガソリンが透明であることにおそらく気づいたでしょう。

そして、クレヨン、プラスチック、灯油、ジェット燃料、灯油、合成繊維、タイヤなど、石油から作られる製品は他にもたくさんあります。

どうして原油から始まり、最終的にはガソリンやその他すべての製品に至ることができるのでしょうか?

この記事では、これらすべてのさまざまなものを生産するために原油を精製する際に関与する化学と技術を検討します。

原油

原油とは、地中から出てくる「未処理の」石油を意味します。石油としても知られています。原油は化石燃料です。つまり、何百万年も前の古代の海に生息していた腐った植物や動物から自然に作られました。原油を見つけることができる場所のほとんどは、かつては海底でした。原油の色は透明からタールブラックまで、粘度は水からほぼ固体までさまざまです。

原油には炭化水素が含まれているため、非常に多くのさまざまな物質の出発点として非常に役立ちます。炭化水素は水素と炭素を含む分子で、直鎖から分岐鎖、環までさまざまな長さと構造があります。

炭化水素が化学者にとって興味深い点は 2 つあります。

炭化水素には多くのエネルギーが含まれています。ガソリン、ディーゼル燃料、パラフィンワックスなど、原油に由来するものの多くはこのエネルギーを利用しています。
炭化水素はさまざまな形をとることができます。最小の炭化水素はメタン(CH ₄ ) で、空気よりも軽い気体です。炭素数が 5 以上の長い鎖は液体です。非常に長い鎖はワックスやタールのような固体です。炭化水素鎖を化学的に架橋することにより、合成ゴムからナイロン、タッパーウェア内のプラスチックに至るまであらゆるものを得ることができます。炭化水素チェーンは非常に多用途です。

原油中の炭化水素の主な種類は次のとおりです。

パラフィンの一般式: C _n H _2n+2 (n は整数、通常 1 ～ 20) 直鎖または分岐鎖の分子は、分子の例に応じて室温で気体または液体になります: メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサン
芳香族化合物の一般式: C ₆ H ₅ – Y (Y はベンゼン環に接続する長い直線分子) 1 つ以上の環を持つ環状構造環には 6 つの炭素原子が含まれ、炭素間に二重結合と単結合が交互に存在します。通常は液体の例です。：ベンゼン、ナフタレン
ナフテンまたはシクロアルカン一般式: C _n H _2n (n は通常 1 ～ 20 の整数) 1 つ以上の環を持つ環状構造環には炭素原子間の単結合のみが含まれる通常、室温では液体例: シクロヘキサン、メチルシクロペンタン
その他の炭化水素アルケン一般式: C _n H _2n (n は整数、通常 1 ～ 20) 1 つの炭素-炭素二重結合を含む直鎖または分枝鎖分子は液体または気体であり、例: エチレン、ブテン、イソブテン、ジエン、アルキンの一般式: C _n H _2n-2 (n は整数、通常 1 ～ 20) 2 つの炭素間二重結合を含む直鎖または分枝鎖分子は、液体または気体になります。例: アセチレン、ブタジエン

これらのタイプの炭化水素の構造の例については、のおよびこのページを参照してください。

原油に何が含まれているかがわかったので、そこから何が作れるか見てみましょう。

原油成分

平均して、原油は次の元素または化合物で構成されています。

カーボン– 84%
水素– 14%
硫黄– 1 ～ 3% (硫化水素、硫化物、二硫化物、元素状硫黄)
窒素– 1%未満（アミン基を有する塩基性化合物）
酸素– 1%未満 (二酸化炭素、フェノール、ケトン、カルボン酸などの有機化合物に含まれる)
金属– 1% 未満 (ニッケル、鉄、バナジウム、銅、ヒ素)
塩類– 1%未満（塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム）

原油から

石油精製プロセスは分別蒸留塔から始まります。

原油の問題は、何百もの異なる種類の炭化水素がすべて混合して含まれていることです。有用なものを得るには、さまざまな種類の炭化水素を分離する必要があります。幸いなことに、物事を簡単に分離する方法があり、これが石油精製の目的です。

異なる炭化水素鎖の長さはすべて、沸点が徐々に高くなるため、蒸留によってすべて分離できます。これは石油精製所で起こっていることです。プロセスの一部では、原油が加熱され、気化温度によってさまざまなチェーンが引き出されます。チェーンの長さが異なると、それぞれ異なる特性があり、異なる方法で役立ちます。

原油に含まれる多様性を理解し、私たちの社会において原油精製がなぜ非常に重要であるかを理解するには、原油から得られる製品の以下のリストに目を通してください。

石油ガス– 暖房、調理、プラスチックの製造に使用

低分子アルカン (炭素原子数 1 ～ 4)
一般にメタン、エタン、プロパン、ブタンという名前で知られています。
沸騰範囲 = 華氏 104 度 / 摂氏 40 度未満
多くの場合、圧力下で液化して LPG (液化石油ガス) を生成します

ナフサまたはリグロイン– さらに加工されてガソリンを製造する中間体

炭素原子数 5 ～ 9 のアルカンの混合物
沸騰範囲 = 華氏 140 ～ 212 度 / 摂氏 60 ～ 100 度

ガソリン– モーター燃料

液体
アルカンとシクロアルカンの混合物（炭素原子数 5 ～ 12）
沸騰範囲 = 華氏 104 ～ 401 度 / 摂氏 40 ～ 205 度

灯油– ジェットエンジンやトラクターの燃料。他の製品を作るための出発原料

液体
アルカン (炭素数 10 ～ 18) と芳香族の混合物
沸騰範囲 = 華氏 350 ～ 617 度 / 摂氏 175 ～ 325 度

軽油またはディーゼル留出物– ディーゼル燃料および灯油に使用されます。他の製品を作るための出発原料

液体
12個以上の炭素原子を含むアルカン
沸騰範囲 = 華氏 482 ～ 662 度 / 摂氏 250 ～ 350 度

潤滑油– モーターオイル、グリース、その他の潤滑剤に使用されます。

液体
長鎖 (炭素原子数 20 ～ 50) アルカン、シクロアルカン、芳香族化合物
沸騰範囲 = 華氏 572 ～ 700 度 / 摂氏 300 ～ 370 度

重ガスまたは重油– 産業用燃料に使用されます。他の製品を作るための出発原料

液体
長鎖 (炭素原子数 20 ～ 70) アルカン、シクロアルカン、芳香族化合物
沸騰範囲 = 華氏 700 ～ 1112 度 / 摂氏 370 ～ 600 度

残留物– コークス、アスファルト、タール、ワックス。他の製品を作るための出発原料

固体
炭素原子数が70以上の多環化合物
沸騰範囲 = 華氏 1112 度 / 摂氏 600 度以上

これらの製品はすべて、サイズと沸騰範囲が異なることに気づいたかもしれません。化学者は石油を精製する際にこれらの特性を利用します。この興味深いプロセスの詳細については、次のセクションをご覧ください。

精製プロセス

前述したように、原油のバレルにはあらゆる種類の炭化水素の混合物が含まれています。石油精製ではあらゆるものを有用な物質に分離します。化学者は次の手順を使用します。

物をさまざまな成分 (分数と呼ばれます) に分ける最も古くて一般的な方法は、沸騰温度の違いを利用することです。このプロセスは分別蒸留と呼ばれます。基本的には原油を加熱して蒸発させ、その蒸気を凝縮させます。
新しい技術では、変換と呼ばれるプロセスで、一部の画分を化学処理して他の画分を作成します。たとえば、化学処理により、長い鎖が短い鎖に切断される可能性があります。これにより、製油所はガソリンの需要に応じてディーゼル燃料をガソリンに変えることができます。
製油所は留分を処理して不純物を除去する必要があります。
製油所は、さまざまな留分（処理済み、未処理）を混合物に組み合わせて、目的の製品を製造します。たとえば、チェーンの混合物が異なると、オクタン価の異なるガソリンが生成される可能性があります。

製品は、ガソリンスタンド、空港、化学工場などのさまざまな市場に配送されるまで、現場で保管されます。製油所は、石油ベースの製品の製造に加えて、大気と水の汚染を最小限に抑えるために、プロセスに含まれる廃棄物も処理する必要があります。

次のセクションでは、原油をその成分に分離する方法を見ていきます。

分別蒸留

原油のさまざまな成分は、サイズ、重量、沸点が異なります。したがって、最初のステップはこれらのコンポーネントを分離することです。これらは沸点が異なるため、分別蒸留と呼ばれるプロセスによって簡単に分離できます。分別蒸留の手順は次のとおりです。

沸点の異なる2つ以上の物質（液体）の混合物を高温に加熱します。加熱は通常、高圧蒸気を使用して約華氏 1112 度 / 摂氏 600 度の温度まで行われます。
混合物は沸騰して蒸気（ガス）を形成します。ほとんどの物質は気相に入ります。
蒸気は、トレイまたはプレートで満たされた長い塔 (分別蒸留塔) の底部に入ります。トレイには蒸気を通過させるための穴やバブルキャップ (ソーダボトルの緩んだキャップのようなもの) がたくさんあります。これらは塔内の蒸気と液体の間の接触時間を増加させ、塔内のさまざまな高さで形成される液体の収集に役立ちます。カラム全体に温度差があります (底部は高温、上部は低温)。
蒸気は塔内に上昇します。
蒸気が塔内のトレイを通って上昇すると、冷却されます。
蒸気中の物質が、塔の温度がその物質の沸点に等しい高さに達すると、凝縮して液体になります。 (沸点が最も低い物質はカラム内の最高点で凝縮し、沸点がより高い物質はカラム内のより低い位置で凝縮します。)
トレイはさまざまな液体画分を収集します。
収集された液体画分は凝縮器に送られ、さらに冷却されてから貯蔵タンクに送られるか、さらなる化学処理のために他のエリアに送られる場合があります。

分別蒸留は、沸点の差が狭い物質の混合物を分離するのに役立ち、精製プロセスで最も重要なステップです。

石油精製プロセスは分別蒸留塔から始まります。右側には、次のセクションで説明するいくつかの化学処理装置が表示されます。

分別蒸留塔から出て市場に出せる成分はほとんどありません。それらの多くは、他の画分を作るために化学的に処理する必要があります。たとえば、蒸留原油のうちガソリンは 40% のみです。ただし、ガソリンは石油会社が製造する主要製品の 1 つです。石油会社は、大量の原油を継続的に蒸留するのではなく、蒸留塔からの他の留分を化学的に処理してガソリンを製造します。この処理により、原油 1 バレルあたりからのガソリンの収量が増加します。

次のセクションでは、ある画分を別の画分に化学的に処理する方法を見ていきます。

化学処理

次の 3 つの方法のいずれかを使用して、ある分数を別の分数に変更できます。

大きな炭化水素をより小さな断片に破壊する (クラッキング)
小さな部分を組み合わせて大きな部分を作る (統合)
さまざまな部分を並べ替えて目的の炭化水素を作ること (変性)

ひび割れ

クラッキングでは大きな炭化水素が取り出され、小さな炭化水素に分解されます。

ひび割れにはいくつかの種類があります。

熱– 大きな炭化水素を高温 (場合によっては高圧も) で分解するまで加熱します。蒸気– 高温蒸気 (華氏 1500 度 / 摂氏 816 度) は、エタン、ブタン、ナフタをエチレンとベンゼンに分解し、化学物質の製造に使用されます。ビスブレーキング– 蒸留塔からの残留物は加熱され (華氏 900 度 / 摂氏 482 度)、軽油で冷却され、蒸留塔内で急速に燃焼 (フラッシュ) されます。このプロセスにより、重量油の粘度が低下し、タールが生成されます。コークス化– 蒸留塔からの残留物は、重油、ガソリン、ナフサに分解されるまで華氏 900 度 / 摂氏 482 度以上の温度に加熱されます。このプロセスが完了すると、重く、ほぼ純粋な炭素残留物 (コークス) が残ります。コークスはコーカーから取り除かれて販売されます。写真提供：Phillips Petroleum Company 接触分解または改質に使用される触媒
触媒– 触媒を使用して分解反応を加速します。触媒には、ゼオライト、ヒドロケイ酸アルミニウム、ボーキサイト、シリカアルミナが含まれます。流動接触分解– 高温の流動触媒 (華氏 1000 度 / 摂氏 538 度) が重質軽油をディーゼル油とガソリンに分解します。水素化分解– 流動接触分解に似ていますが、異なる触媒、低温、高圧、水素ガスを使用します。重油を分解してガソリンと灯油（ジェット燃料）にします。

さまざまな炭化水素がより小さな炭化水素に分解された後、生成物は別の分別蒸留塔を通過して分離されます。

統一

場合によっては、より小さな炭化水素を結合してより大きな炭化水素を作る必要があります。このプロセスは統一と呼ばれます。主な統合プロセスは接触改質と呼ばれ、触媒（白金、白金レニウム混合物）を使用して低重量ナフサを芳香族化合物に結合します。芳香族化合物は化学品の製造やガソリンの混合に使用されます。この反応の重要な副生成物は水素ガスであり、水素化分解に使用されるか販売されます。

変更

場合によっては、ある画分の分子の構造が再編成されて別の画分が生成されることがあります。一般に、これはアルキル化と呼ばれるプロセスを使用して行われます。アルキル化では、プロピレンやブチレンなどの低分子量化合物が、フッ化水素酸や硫酸（多くの石油製品から不純物を除去する際の副生成物）などの触媒の存在下で混合されます。アルキル化の生成物は高オクタン価炭化水素であり、ノッキングを軽減するためにガソリンブレンドに使用されます (詳細については、「オクタン価の意味」を参照してください)。