Loading article…
石油精製所または石油精製所は、石油（原油）をガソリン（ガソリン）、ディーゼル燃料、アスファルトベース、燃料油、暖房油、灯油、液化石油ガス、石油ナフサなどの製品に変換および精製する工業プロセスプラントです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]エチレンやプロピレンなどの石油化学原料は、ナフサなどの原油精製製品を使用する必要なく、原油を分解することによって直接生産することもできます。 [ 4 ] [ 5 ]原油原料は通常、石油生産プラントで処理されています。石油精製所またはその近くには、通常、到着する原油原料やバルク液体製品を貯蔵するための石油貯蔵所があります。2020年、世界の原油精製所の総容量は約1億120万バレル/日でした。[ 6 ]
石油精製所は一般的に、広大な工業団地であり、蒸留塔などの大型化学処理装置間で流体を運ぶための配管が至る所に張り巡らされています。石油精製所は多くの点でさまざまな技術を使用しており、一種の化学プラントと考えることができます。2008年12月以降、世界最大の石油精製所は、インドのグジャラート州にあるリライアンス・インダストリーズ所有のジャムナガル製油所で、1日あたり124万バレル（19万7000立方メートル）の処理能力を有しています。
中国人は石油を精製した最初の文明の一つでした。[ 8 ] 1世紀にはすでに、中国人はエネルギー源として原油を精製していました。[ 9 ] [ 8 ] 512年から518年の間、北魏末期に、中国の地理学者、作家、政治家である李道元は、彼の有名な著作『水経』の中で、石油をさまざまな潤滑油に精製するプロセスを紹介しました。[ 10 ] [ 9 ] [ 8 ]
原油はペルシャの化学者によって蒸留されることが多く、ムハンマド・イブン・ザカリーヤ・ラーズィー（ 865年頃～925年）などの手引書に明確な記述がある。 [ 11 ]バグダッドの街路は、この地域の天然油田から入手可能になった石油から作られたタールで舗装されていた。9世紀には、現在のアゼルバイジャンのバクー周辺で油田が開発された。これらの油田は、10世紀のアラブの地理学者アブー・アル＝ハサン・アリー・アル＝マスウーディーと、 13世紀のマルコ・ポーロによって記述されており、マルコ・ポーロはこれらの油井の産出量を数百隻の船に相当したと述べている。[ 12 ]アラブとペルシャの化学者は、軍事目的の可燃性製品を製造するため、原油を蒸留することもあった。イスラム支配下のスペインを通じて、12世紀までに西ヨーロッパで蒸留技術が利用可能になった。 [ 13 ]
北宋時代（960～1127年）には、開封市に「猛油工房」と呼ばれる工房が設立され、宋軍の武器として精製油を生産した。兵士たちは鉄製の缶に精製油を詰めて敵軍に投げつけ、火をつけた。これは事実上、世界初の「焼夷弾」であった。この工房は世界最古の石油精製工場の1つであり、数千人が中国の石油動力兵器の生産に従事した。[ 14 ]
19世紀以前、石油はバビロン、エジプト、中国、フィリピン、ローマ、アゼルバイジャンなどで様々な形で知られ、利用されていました。しかし、石油産業の近代史は、1846年にカナダのノバスコシア州のアブラハム・ゲスナーが石炭から灯油を製造する方法を考案したことから始まったと言われています。その直後の1854年、イグナツィ・ウカシェヴィチはポーランドのクロスノ近郊で手掘りの油井から灯油の生産を開始しました。
世界記録アカデミーによると、ルーマニアは世界の石油生産統計で第1位の国として登録された。[ 15 ] [ 16 ]
北米では、最初の油井は1858年にカナダのオンタリオ州オイルスプリングスでジェームズ・ミラー・ウィリアムズによって掘削されました。[ 17 ]米国では、1859年にエドウィン・ドレイクがペンシルベニア州タイタスビル近郊で石油を発見したことから石油産業が始まりました。[ 18 ] 1800年代には、石油ランプ用の灯油を主に生産し、産業はゆっくりと成長しました。20世紀初頭には、内燃機関の導入と自動車への使用によりガソリンの市場が生まれ、石油産業の急速な成長の原動力となりました。オンタリオ州やペンシルベニア州のような初期の石油発見は、すぐにオクラホマ州、テキサス州、カリフォルニア州での大規模な石油「ブーム」によって追い抜かれました。[ 19 ]
サミュエル・キアは1853年にピッツバーグのグラント通り近くのセブンス・アベニューにアメリカ初の石油精製所を設立した。[ 20 ]ポーランドの薬剤師で発明家のイグナツィ・ウカシェヴィチは1854年に当時オーストリア＝ハンガリー帝国の一部であったヤスウォ（現在のポーランド）に石油精製所を設立した。
最初の大型製油所は、 1856年から1857年にかけてルーマニアのプロイェシュティに開設されました。[ 15 ] 51年後の1908年、プロイェシュティで、 1887年にアンフェタミンを発見して博士号を取得したユダヤ系ルーマニア人化学者ラザール・エデレアヌが、原油精製のための最初の近代的な液体抽出法であるエデレアヌ法を発明し、特許を取得し、工業規模で試験しました。これにより、純粋な分留に比べて精製効率が向上し、製油所の大規模な発展が可能になりました。その後、このプロセスはフランス、ドイツ、米国で実施され、数十年で世界中に広まりました。 1910年、エデレアヌはドイツで「Allgemeine Gesellschaft für Chemische Industrie」を設立し、その名前の成功を受けて1930年にEdeleanu GmbHに変更した。ナチス政権時代には、同社はDeutsche Erdöl-AGに買収され、ユダヤ系であったエデレアヌはルーマニアに戻った。戦後、商標は後継会社EDELEANU Gesellschaft mbH Alzenau (RWE)によって多くの石油製品に使用され、その後、同社はEDLとしてPörnerグループに統合された。プロイェシュティ製油所は、ナチス・ドイツに占領された後、第二次世界大戦の石油キャンペーン中の1943年の連合軍によるタイダルウェーブ作戦で爆撃された。
世界最古の石油精製所があるという称号を争う有力候補の一つは、ドイツのニーダーザクセン州にあるザルツベルゲンだ。ザルツベルゲンの精製所は1860年に開設された。
かつては、サウジアラビアのラス・タヌラにあるサウジアラムコ所有の製油所が世界最大の石油精製所とされていた。20世紀の大半において、世界最大の製油所はイランのアバダン製油所であった。この製油所はイラン・イラク戦争中に甚大な被害を受けた。2008年12月25日以降、世界最大の製油所複合施設は、インドのジャムナガルにあるリライアンス・インダストリーズ・リミテッドが運営する2つの製油所が並んで稼働するジャムナガル製油所複合施設であり、合計生産能力は1日あたり124万バレル（19万7000立方メートル/日）である。
1940年代初頭の第二次世界大戦前、米国の石油精製所のほとんどは、原油蒸留装置（常圧原油蒸留装置と呼ばれることが多い）のみで構成されていました。一部の精製所には、真空蒸留装置や、粘度低下装置（油の粘度を下げる装置）などの熱分解装置も備えられていました。以下で説明するその他の多くの精製プロセスはすべて、戦争中または戦後数年以内に開発されました。これらのプロセスは、戦争終結後5～10年以内に商業的に利用可能となり、世界の石油産業は急速な成長を遂げました。この技術革新と、世界中の精製所の数と規模の拡大の原動力となったのは、自動車用ガソリンと航空機用燃料に対する需要の高まりでした。
米国では、様々な複雑な経済的・政治的理由から、1980年代頃には新たな製油所の建設は事実上停止した。しかしながら、米国に現存する多くの製油所は、原油処理能力の向上、ガソリンのオクタン価の向上、ディーゼル燃料や家庭用暖房燃料の硫黄含有量の低減による環境規制への準拠、大気汚染および水質汚染に関する環境要件への適合を目的として、多くの設備を改修したり、増設設備を建設したりしてきた。
19世紀、米国の製油所は主に灯油を回収するために原油を処理していた。ガソリンなどの揮発性の高い成分には市場がなく、廃棄物とみなされ、多くの場合、最寄りの川に直接投棄されていた。自動車の発明により、需要はガソリンとディーゼルへとシフトし、これらは今日でも主要な精製製品となっている。[ 22 ]
今日、国および州の法律により、製油所は厳格な大気および水の清浄度基準を満たすことが義務付けられています。実際、米国の石油会社は、近代的な製油所を建設するための許可を取得することが非常に困難で費用がかかると認識しており、1976年から2014年にノースダコタ州の小規模なダコタ・プレーリー製油所が操業を開始するまで、米国では新しい製油所は建設されませんでした（ただし、多くの製油所は拡張されました）。[ 23 ] 1981年に存在した製油所の半分以上は、稼働率の低さと合併の加速により、現在閉鎖されています。[ 24 ]これらの閉鎖の結果、1981年から1995年の間に米国の製油所の総能力は低下しましたが、その期間の操業能力は、1日あたり約15,000,000バレル（2,400,000 m3 /日）でほぼ一定でした。[ 25 ]施設の規模拡大と効率の改善により、業界の物理的能力の損失の大部分が相殺されています。 1982年（提供された最も古いデータ）には、米国では301の製油所が稼働しており、原油の総処理能力は暦日あたり1,790万バレル（2,850,000 m 3 ）でした。2010年には、稼働中の米国の製油所は149か所あり、総処理能力は暦日あたり1,760万バレル（2,800,000 m 3 ）でした。 [ 26 ] 2014年までに製油所の数は140に減少しましたが、総処理能力は暦日あたり1,802万バレル（2,865,000 m 3 ）に増加しました。操業コストと減価償却費を削減するために、製油はより少ない場所で、より大きな処理能力で運営されています。
2009年から2010年にかけて、石油事業の収益源が枯渇し、景気後退に先立つ製品需要の低下と供給過剰により石油精製所の収益性が低下したため、石油会社は収益性の低い精製所を閉鎖または売却し始めた。[ 27 ]
未処理の原油は一般的に工業用途には適さないが、「軽質低硫黄」（低粘度、低硫黄）原油は船舶の推進用蒸気を発生させる燃焼燃料として直接使用されてきた。しかし、軽質成分は燃料タンク内で爆発性の蒸気を発生させるため、特に軍艦においては危険である。
原油に含まれる数百種類の異なる炭化水素分子は、製油所で分離され、燃料、潤滑油、そしてプラスチック、洗剤、溶剤、エラストマー、ナイロンやポリエステルなどの繊維といった製品を製造する石油化学プロセスの原料として使用できる成分に分けられる。
石油化石燃料は、船舶、自動車、航空機エンジン、芝刈り機、オフロードバイク、その他の機械の動力源として、内燃機関で燃焼されます。沸点の違いにより、炭化水素は蒸留によって分離できます。軽い液体製品は内燃機関での使用に非常に需要が高いため、現代の製油所では、重質炭化水素と軽いガス状元素をこれらの高価値製品に変換します。[ 28 ]
石油は、パラフィン、芳香族、ナフテン（またはシクロアルカン）、アルケン、ジエン、アルキンなど、分子量、形状、長さが異なる炭化水素を含んでいるため、さまざまな方法で使用できます。[ 29 ]原油中の分子には硫黄や窒素などのさまざまな原子が含まれていますが、炭化水素は最も一般的な分子の形態であり、水素原子と炭素原子、および少数の酸素原子から構成される、長さと複雑さが異なる分子です。これらの分子の構造の違いが、それらのさまざまな物理的および化学的性質の原因であり、この多様性が原油をさまざまな用途で役立つものにしています。
汚染物質や不純物が分離・精製された燃料または潤滑油は、それ以上の処理をせずに販売できます。イソブタン、プロピレン、ブチレンなどの小さな分子は、アルキル化、あるいはより一般的には二量化などのプロセスによって、特定のオクタン価要件を満たすように再結合できます。ガソリンのオクタン価は、炭化水素から水素を除去して芳香族化合物などのオクタン価の高い化合物を生成する接触改質によっても向上させることができます。軽油などの中間製品は、流動接触分解、熱分解、水素化分解などのさまざまな形態の分解によって、重質で長鎖の油をより軽い短鎖の油に分解するように再処理することもできます。ガソリン製造の最終段階は、製品仕様を満たすために、オクタン価、蒸気圧、その他の特性が異なる燃料をブレンドすることです。これらの中間製品（残油）を再処理およびアップグレードする別の方法として、脱揮発プロセスを使用して、使用可能な油を廃棄アスファルテン物質から分離する方法があります。特定の分解ストリームは、原料から分解されるオレフィン種の分子量と特性に基づいて、ポリプロピレン、より重いポリマー、ブロックポリマーなどの石油化学製品の製造に特に適しています。[ 30 ]
石油精製所は、1日に約10万バレルから数十万バレルの原油を処理する大規模なプラントです。処理能力が高いため、多くの精製所はバッチ処理ではなく連続運転を行い、数ヶ月から数年にわたり定常状態またはほぼ定常状態で稼働します。また、処理能力が高いことから、プロセスの最適化と高度なプロセス制御が非常に重要となります。
石油製品とは、石油精製所で処理された原油（石油）から得られる物質のことです。石油の大部分は石油製品に変換され、これにはいくつかの種類の燃料が含まれます。[ 32 ]
石油精製所では、水素、軽質炭化水素、改質ガス、熱分解ガソリンなどの様々な中間製品も生産されます。これらは通常輸送されず、敷地内で混合またはさらに加工されます。そのため、化学プラントは石油精製所に隣接していることが多く、また、多くの化学プロセスが石油精製所に統合されている場合もあります。例えば、軽質炭化水素はエチレンプラントで水蒸気分解され、生成されたエチレンは重合されてポリエチレンが製造されます。
適切な分離と環境保護の両方を確保するため、最も重質の製品を除き、すべての製品において非常に低い硫黄含有量が必要となります。粗硫黄不純物は触媒水素脱硫によって硫化水素に変換され、アミンガス処理によって製品流から除去されます。その後、クラウス法を用いて硫化水素は元素硫黄に変換され、化学工業に販売されます。このプロセスで発生するかなりの量の熱エネルギーは、製油所の他の部分で直接利用されます。多くの場合、余剰熱を吸収するために、製油所全体のプロセスに発電所が組み込まれています。
原油の組成や市場の需要に応じて、製油所はさまざまな割合の石油製品を生産することができます。石油製品の大部分は「エネルギーキャリア」、つまりさまざまなグレードの燃料油やガソリンとして使用されます。これらの燃料には、ガソリン、ジェット燃料、ディーゼル燃料、暖房油、重油などが含まれるか、または混合して作られます。重質（揮発性の低い）留分は、アスファルト、タール、パラフィンワックス、潤滑油、その他の重油の製造にも使用できます。製油所は、プラスチックやその他の有用な材料を製造する化学プロセスで使用される他の化学物質も生産します。石油には数パーセントの硫黄含有分子が含まれていることが多いため、元素硫黄も石油製品として生産されることがよくあります。石油コークスの形での炭素や水素も石油製品として生産されることがあります。生成された水素は、水素化分解や水素化脱硫などの他の石油精製プロセスの中間生成物としてよく使用される。[ 33 ]
灯油（パラフィンとも呼ばれる）は、石油から得られる可燃性の炭化水素液体です。航空機や家庭で燃料として広く使用されています。その名前はギリシャ語のκηρός（kērós）「蝋」に由来し、1854年にノバスコシア州の地質学者で発明家のアブラハム・ゲスナーによって商標登録され、その後一般名称の商標へと発展しました。科学や産業分野ではkerosineと綴られることもあります。[ 41 ]
ジェット燃料、または航空タービン燃料（ATF、略称avtur）は、ガスタービンエンジンを搭載した航空機で使用するために設計された航空燃料の一種です。外観は無色から淡黄色です。民間航空で最も一般的に使用されている燃料は、国際規格に準拠して製造されているジェットAとジェットA-1です。民間のタービンエンジン搭載航空機で一般的に使用されている他のジェット燃料はジェットBのみで、これは寒冷地での性能向上を目的としています。
ディーゼル燃料（ディーゼル油、燃料油（歴史的には）、または単にディーゼルとも呼ばれる）は、ディーゼルエンジンで使用するために特別に設計された液体燃料のことである。ディーゼルエンジンとは、吸入空気を圧縮し、火花を使わずに燃料を噴射することで燃料に着火する内燃機関の一種である。そのため、ディーゼル燃料には優れた圧縮着火特性が求められる。
これらには、さまざまな原料の混合、適切な添加剤の混合、短期保管、トラック、はしけ、製品船、鉄道貨車への大量積載の準備が必要です。この分類は、原油の蒸留と分画方法に基づいています。[ 2 ]
重油(HFO) はタール状の粘稠度を持つ燃料油です。バンカー燃料または残渣燃料油とも呼ばれる HFO は、石油精製所で原油を蒸留および分解した後に残る残渣混合物です。[ 42 ]一般的に、沸点は 350 ～ 500 ℃ で、ディーゼル燃料よりもかなり粘度が高いです。[ 43 ]石油の前駆体からより価値のある成分を抽出して作られるため、HFO には芳香族、硫黄、窒素、バナジウムなど、さまざまな望ましくない化合物や元素が含まれています。 [ 42 ]これらの非炭化水素汚染物質は、燃焼時に二酸化硫黄、一酸化炭素、窒素酸化物などの有毒ガスや粒子状物質の排出量を大幅に増加させます。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
ビチューメン(英国: / ˈ b ɪ tʃ ʊ m ɪ n / BIH -chuum-in、米国: / b ɪ ˈ tj uː m ɪ n , b aɪ -/アスファルト( ⓘ bih- TEW -min, by-) [ 52 ]は、石油の非常に粘性の高い。正確な組成によって、粘着性のある黒い液体であったり、非常に長い時間スケールで液体のように振る舞う、一見固体の塊であったりします。アメリカ英語アスファルトと呼ばれています。天然の鉱床で見つかったか、石油から精製されたかにかかわらず、この物質はピッチ。 [ 53 ] 20 世紀以前は、アスファルタムという用語が一般的に使用されていました。 [ 54 ]この単語は、天然のビチューメンまたはピッチを指す古代ギリシャ語ἄσφαλτος(ásphaltosに由来します。世界最大の天然ビチューメン鉱床は、トリニダード島南西部のピッチ湖、1,000 万トンの埋蔵量があると推定されています。 [ 55 ]
硫黄（または硫酸）は、石油から硫黄を除去する際に生じる副産物であり、有機硫黄化合物として数パーセントの硫黄を含む場合がある。硫黄と硫酸は有用な工業原料である。硫酸は通常、酸の前駆体である発煙硫酸として製造・出荷される。
石油コークス（略称コークス、ペットコークス、またはペトコークス）は、石油精製から得られる最終的な炭素を豊富に含む固体物質であり、コークスと呼ばれる燃料群の一種です。ペトコークスは、特に、コーカーユニットと呼ばれる装置で行われる、石油の長鎖炭化水素をより短い鎖に分解する熱ベースの化学工学プロセスである最終分解プロセスから得られるコークスです 。 [ 56 ] （他の種類のコークスは石炭から得られます。）簡潔に言うと、コークスは「石油処理で得られる高沸点炭化水素留分（重質残渣）の炭化生成物」です。 [ 56 ]ペトコークスは、カナダのオイルサンドやベネズエラのオリノコオイルサンドから抽出されたビチューメンから合成原油（シンクルード）を製造する際にも生産されます。[ 57 ] [ 58 ] 石油コークス製造装置では、石油精製に使用される他の蒸留プロセスからの残油が高温高圧で処理され、ガスや揮発性物質が排出され、残りの軽質油と重質油が分離されて石油コークスが残ります。これらのプロセスは「コークス化プロセス」と呼ばれ、遅延コークス化の特定のプロセスには、通常、化学工学プラントの運転が採用されます。
肥料、床材、香水、殺虫剤、ワセリン、石鹸、ビタミンカプセルなど、6,000以上の製品が石油廃棄物の副産物から作られています。 [ 60 ]
脱塩装置は、石油精製所で原油から塩分を除去するプロセスユニットです。塩分は原油自体ではなく、原油中の水に溶けています。脱塩は通常、原油精製の最初のプロセスです。脱塩後の塩分含有量は通常、PTB （原油1,000バレルあたりの塩のポンド）で測定されます。 [ 61 ] 別の仕様として、基本沈殿物と水があります。 [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]
原油の常圧蒸留と真空蒸留は、ガソリンから潤滑油/真空軽油まで、さまざまなストレートラン製品を生成する主要な一次分離プロセスです。原油の蒸留は通常、まず常圧で行われ、次に真空で行われます[ 65 ]。低沸点留分は通常、炭化水素化合物を分解することなく、常圧で400℃未満で蒸発します。したがって、原油のすべての低沸点留分は常圧蒸留によって分離されます。原油蒸留装置（CDU）は、プレフラッシュ蒸留塔で構成されています。蒸留プロセスから得られる石油製品は、軽質、中質、重質ナフサ、灯油、ディーゼル油、および残油です。 [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]真空蒸留または減圧蒸留は、減圧下で行われる蒸留の一種で、常圧では容易に蒸留できない化合物の精製や、単に時間やエネルギーの節約を可能にします。この技術は、沸点の違いに基づいて化合物を分離します。この技術は、目的の化合物の沸点を達成するのが難しい場合、または化合物が分解する場合に使用されます。[ 72 ]減圧は化合物の沸点を低下させます。沸点の低下は、クラウジウス-クラペイロンの関係式を使用した温度-圧力ノモグラフを使用して計算できます。[ 73 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]
水素化脱硫（HDS）は、水素化処理または水素化処理とも呼ばれ、天然ガスやガソリン、ジェット燃料、灯油、ディーゼル燃料、燃料油などの精製石油製品から硫黄（S）を除去するために広く使用されている触媒化学プロセスです。[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]硫黄を除去し、超低硫黄ディーゼルなどの製品を作る目的は、自動車、航空機、鉄道機関車、船舶、ガスまたは石油燃焼発電所、家庭用および産業用炉、その他の形態の燃料燃焼でこれらの燃料を使用することによって発生する二酸化硫黄（SO2）排出量を削減することです。 [ 1 ] [ 77 ] [ 78 ]
接触改質は、原油 からナフサをリフォーメートと呼ばれる液体製品に変換するために使用される化学プロセスであり、リフォーメートは高オクタン価ガソリンのプレミアム「ブレンドストック」です。このプロセスでは、低オクタン価の直鎖炭化水素（パラフィン）を分岐アルカン（イソパラフィン）と環状ナフテンに変換し、その後部分的に脱水素化して高オクタン価の芳香族炭化水素を生成します。[ 79 ]脱水素化では、副産物として大量の水素ガスも生成され、これは水素化分解や水素化脱硫などの他の精製プロセスに供給されます。副反応として水素化分解があり、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの価値の低い軽質炭化水素が生成されます。 [ 80 ] [ 81 ]
流動接触分解（FCC）は、石油精製所で石油（原油）の高沸点、高分子量炭化水素留分をガソリン、アルケンガス、その他の石油製品に変換するために使用される変換プロセスです。[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]石油炭化水素の分解は、もともと熱分解によって行われていましたが、現在では接触分解にほぼ置き換えられており、接触分解ではより多くの高オクタン価ガソリンが得られ、熱分解で生成されるガスよりも経済的価値の高い、炭素-炭素二重結合（すなわちアルケン）を多く含む副産物ガスが生成されます。 [ 85 ] [ 3 ] [ 86 ]
水素化分解は、添加された水素ガスの存在によって促進される触媒分解プロセスです。水素化処理装置とは異なり、水素化分解では水素を使用して C–C 結合を切断します (水素化処理は、水素化分解プロセスで触媒を保護するために水素化分解の前に行われます)。2010 年に、2億6500万トン (2億6100 万ロングトン、2億9200 万ショートトン) の石油がこの技術で処理されました。主な原料は、石油の重質留分である真空軽油です。[ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]
Meroxはメルカプタン酸化の頭文字をとった略語です。これはUOPが開発した独自の触媒化学プロセスで、石油精製所や天然ガス処理プラントで使用され、 LPG 、プロパン、ブタン、軽質ナフサ、灯油、ジェット燃料からメルカプタンを除去し、液体炭化水素ジスルフィドに変換します。 メルカプタンを除去する代替プロセスも知られており、例えばドクタースウィーティングプロセスや苛性ソーダ洗浄などがあります。
コーカーまたはコーカーユニットは、真空蒸留塔からの残油を低分子量炭化水素ガス、ナフサ、軽質ガス油、重質ガス油、および石油コークスに変換する石油精製処理ユニットです。このプロセスでは、残油供給物中の長鎖炭化水素分子を熱分解してより短い鎖の分子にし、余分な炭素を石油コークスの形で残します。 遅延コーカーは、複数の並列パスを備えた炉で残油供給物を熱分解温度まで加熱するプロセスで構成されるコーカーの一種です。これにより、残油の重質長鎖炭化水素分子がコーカーガス油と石油コークスに分解されます。[ 91 ] [ 92 ] [ 93 ]
アルキル化装置（アルキ）は、石油精製所で使用される変換プロセスの 1 つです。イソブタンと低分子量アルケン（主にプロペンとブテンの混合物）を、高オクタン価ガソリン成分であるアルキレートに変換するために使用されます。このプロセスは、硫酸（H 2 SO 4 ）やフッ化水素酸（HF）などの酸を触媒として用いて行われます。使用する酸に応じて、この装置は硫酸アルキル化装置（SAAU）またはフッ化水素酸アルキル化装置（HFAU）と呼ばれます。簡単に言うと、アルキは、イソブタンと精製所の流動接触分解装置（FCCU）からのプロピレンやブチレンなどの軽質オレフィンを酸触媒の存在下で混合することにより、2 つの短い炭化水素分子を 1 つの長い鎖のガソリン範囲の分子に結合することで、高品質のガソリンブレンド原料を生成します。[ 94 ] [ 95 ]
二量化装置は、オレフィンを高オクタン価ガソリンの混合成分に変換します。例えば、ブテンは二量化されてイソオクテンとなり、その後水素化されてイソオクタンになります。二量化には他にも用途があります。二量化によって生成されるガソリンは不飽和度が高く、反応性が非常に高いため、自然にガム状物質を生成する傾向があります。このため、二量化後の排出物は、完成したガソリンプールに直ちに混合するか、水素化する必要があります。
異性化反応は、ノルマルペンタンなどの直鎖状分子を、ガソリンへの混合やアルキル化装置への供給に適した高オクタン価の分岐鎖状分子に変換する反応です。また、直鎖状ノルマルブタンをイソブタンに変換し、アルキル化装置で使用するためにも用いられます。
水蒸気改質または水蒸気メタン改質（SMR）は、炭化水素と水を反応させて合成ガス（水素と一酸化炭素）を生成する方法です。一般的に、天然ガスが原料として使用されます。この技術の主な目的は水素の製造ですが、合成ガスにはアンモニアやメタノールの製造など、他にも多くの用途があります。反応は次の平衡式で表されます。[ 96 ]
液化天然ガス貯蔵タンクまたはLNG貯蔵タンクは、液化天然ガスを貯蔵するために使用される特殊なタイプの貯蔵タンクです。LNG貯蔵タンクは、地上、地上、またはLNGタンカーに設置されています。LNG貯蔵タンクの共通の特徴は、-162 °C (-260 °F)という非常に低い温度でLNGを貯蔵できることです。LNG貯蔵タンクは二重容器になっており、内側の容器にはLNGが、外側の容器には断熱材が入っています。最も一般的なタンクの種類は、完全封じ込めタンクです。[ 97 ]タンクのサイズは、用途に応じて大きく異なります。
アミンガス処理は、アミンスクラビング、ガス脱硫、酸性ガス除去とも呼ばれ、さまざまなアルキルアミン（一般的に単にアミンと呼ばれる）の水溶液を使用して、ガスから硫化水素（H 2 S）と二酸化炭素（CO 2 ）を除去する一連のプロセスを指します。[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] これは、製油所で使用される一般的な単位プロセスであり、石油化学プラント、天然ガス処理プラント、その他の産業でも使用されています。 クラウス法は、硫化水素（H 2 S）を含むガス混合物から元素硫黄を回収する脱硫プロセスです。1883 年に化学者カール・フリードリヒ・クラウスによって初めて特許が取得されたクラウス法は、石油化学産業で最も重要な脱硫プロセスであり続けています。石油精製所、天然ガス処理プラント、ガス化または合成ガスプラントで標準となっています。 2005年には、炭化水素処理施設からの副産物硫黄が、世界中で生産された64テラグラム（6400万メトリックトン）の硫黄の大部分を占めた。 [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 64 ]
冷却塔は冷却水を循環させ、ボイラー設備は蒸気発生器用の蒸気を生成し、計装用空気システムには空気圧作動式制御弁と変電所が含まれる。
廃水収集および処理システムは、API分離器、溶存空気浮上（DAF）装置、および活性汚泥生物処理装置などのさらなる処理装置で構成され、水を再利用または廃棄に適した状態にします。[ 106 ]
溶剤精製では、クレゾールやフルフラールなどの溶剤を用いて、潤滑油原料やディーゼル油原料から不要な成分、主に芳香族化合物を除去する。
下の図は、典型的な石油精製所の概略フロー図で、入口の原油原料から最終製品までの間に発生するさまざまな単位プロセスと中間製品の流れを示しています。この図は、文字通り数百種類ある石油精製所の構成のうちの1つを示しています。また、この図には、蒸気、冷却水、電力などのユーティリティを提供する通常の精製所設備や、原油原料、中間製品、最終製品の貯蔵タンクは含まれていません。[ 1 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]
上記に示した以外にも、多くのプロセス構成が存在します。例えば、真空蒸留装置からは、繊維産業で使用される紡錘油、軽機械油、エンジンオイル、各種ワックスなどの最終製品に精製できる留分を生産することも可能です。
原油蒸留装置（CDU）は、ほぼすべての石油精製所における最初の処理装置です。CDUは、流入する原油を沸点範囲の異なるさまざまな留分に蒸留し、それぞれの留分はその後、他の精製処理装置でさらに処理されます。CDUは、大気圧よりわずかに高い圧力で運転されるため、大気圧蒸留装置と呼ばれることがよくあります。 [ 1 ] [ 2 ] [ 69 ] 以下は、典型的な原油蒸留装置の概略フロー図です。流入する原油は、高温の蒸留留分や他の流れと熱交換することによって予熱されます。次に、無機塩（主に塩化ナトリウム）を除去するために脱塩されます。
脱塩装置の後、原油は高温の蒸留留分やその他の流れとの熱交換によってさらに加熱される。その後、燃料燃焼炉（加熱炉）で約398 ℃まで加熱され、蒸留装置の底部に送られる。
蒸留塔上部の冷却と凝縮は、流入する原油との熱交換と、空冷式または水冷式の凝縮器によって部分的に行われます。さらに、下の図に示すように、ポンプアラウンドシステムによって蒸留塔から熱が除去されます。
フロー図に示すように、蒸留塔の上部留出液はナフサです。蒸留塔の上部と下部の間の様々な地点で側壁から取り出される留出液は側留分と呼ばれます。各側留分（灯油、軽質ガス油、重質ガス油）は、流入する原油との熱交換によって冷却されます。すべての留出液（上部ナフサ、側留分、底部残渣）は、さらに処理される前に中間貯蔵タンクに送られます。
製油所や化学プラントの建設用地を探している企業は、以下の点を考慮する必要があります。
石油精製所の立地選定に影響を与える要因：
大量の蒸気と冷却水を使用する製油所は、豊富な水源を必要とします。そのため、石油精製所は航行可能な河川の近くや、港湾に近い海岸沿いに立地することがよくあります。このような立地は、河川輸送や海上輸送へのアクセスも容易にします。原油をパイプラインで輸送する利点は明らかであり、石油会社は大量の燃料をパイプラインで配送ターミナルまで輸送することがよくあります。生産量の少ない製品にはパイプラインは適さない場合があり、その場合は鉄道貨車、タンクローリー、はしけなどが利用されます。
石油化学プラントや溶剤製造（微分）プラントでは、大量の精製製品をさらに加工したり、混合ターミナルではなく供給源で製品に化学添加剤を混合したりするためのスペースが必要となる。
精製プロセスでは、さまざまな化学物質が大気中に放出されます（AP 42 大気汚染物質排出係数のまとめを参照）。また、製油所の存在には通常、顕著な臭気が伴います。大気汚染の影響以外にも、廃水の問題[ 106 ] 、火災や爆発などの産業事故のリスク、産業騒音による騒音による健康への影響[ 110 ]などがあります。
世界中の多くの政府が製油所から排出される汚染物質に対する規制を義務付けており、ほとんどの製油所は関連する環境保護規制機関の要件を満たすために必要な設備を設置している。米国では、新しい製油所の開発を阻止する強い圧力があり、 1976年にマラソン社がルイジアナ州ゲイリービルに施設を建設して以来、国内で大規模な製油所は建設されていない。しかし、その間に既存の製油所の多くが拡張された。環境規制と新しい製油所の建設を阻止する圧力も、米国の燃料価格の上昇の一因となっている可能性がある。[ 111 ]さらに、多くの製油所（1980年代以降100以上）が、老朽化や業界内の合併活動により閉鎖された。[ 112 ]
環境や安全上の懸念から、石油精製所は主要な都市部からある程度離れた場所に建設されることがある。しかしながら、精製所の操業が人口密集地の近くにあり、健康リスクをもたらす事例は数多く存在する。[ 113 ] [ 114 ]カリフォルニア州のコントラコスタ郡とソラノ郡では、この地域に人が住むようになる前の20世紀初頭に建設された精製所と関連する化学工場が海岸線に沿って連なっており、リッチモンド、マルティネス、パチェコ、コンコード、ピッツバーグ、バレーホ、ベニシアの都市部に隣接している。そのため、時折発生する事故により、近隣住民に「屋内待避」命令が出されることがある。アルバータ州シャーウッドパークには、人口100万人を超えるエドモントン市に隣接して、多数の精製所が立地している。 [ 115 ]
精製石油溶剤への職業曝露に関するNIOSH基準は1977年から利用可能である。[ 116 ]
現代の石油精製は、さまざまな石油製品を生成する相互に関連した複雑な化学反応システムを伴う。[ 117 ] [ 118 ]これらの反応の多くは、正確な温度と圧力パラメータを必要とする。[ 119 ]これらのプロセスの適切な進行を確保するために必要な装置と監視は複雑であり、石油工学 の科学分野の進歩を通じて進化してきた。[ 120 ] [ 121 ]
高圧および/または高温反応の広範な種類と、必要な化学添加剤または抽出された汚染物質により、石油精製所の作業員に驚くほど多くの潜在的な健康被害が生じます。[ 122 ] [ 123 ] 化学および石油工学の技術進歩により、これらのプロセスの大部分は自動化され密閉されているため、作業員への潜在的な健康影響は大幅に軽減されています。[ 124 ] しかし、作業員が従事する特定のプロセス、および作業員が働く精製所で採用されている特定の方法によっては、重大な健康被害が残ります。[ 125 ]
当時、米国では労働災害が定期的に追跡・報告されていなかったものの、石油精製所での労働による健康被害に関する報告は1800年代初頭から見られる。例えば、1890年にはシカゴの精製所で爆発事故が発生し、20人の労働者が死亡した。[ 126 ] それ以来、火災、爆発、その他の重大な事故が度々発生し、石油精製所労働者の健康問題に世間の注目を集めてきた。[ 127 ] こうした事故は21世紀にも続いており、2018年にはウィスコンシン州とドイツの精製所で爆発事故が報告されている。 [ 128 ]
しかし、石油精製所の労働者を危険にさらす、目に見えにくい危険は他にも数多く存在する。
現代の石油精製所は高度に自動化され、技術的に進歩しているため、ほぼすべてのプロセスがエンジニアリング制御内に収まっており、以前に比べて作業員の曝露リスクは大幅に低下しています。[ 124 ] しかし、特定の状況や作業によっては、これらの安全機構が損なわれ、作業員が多くの化学的（上の表を参照）または物理的（下記参照）危険にさらされる可能性があります。[ 129 ] [ 130 ] これらのシナリオの例としては、次のものが挙げられます。
2021年の系統的レビューでは、石油化学産業での労働と中皮腫などの様々な癌のリスク増加との関連性が指摘されました。また、胃癌や直腸癌などの他の癌のリスク減少も確認されました。系統的レビューでは、これらの関連性のいくつかは石油産業に直接関連する要因によるものではなく、喫煙などの生活習慣要因によるものであると述べられています。近隣住民への健康への悪影響に関するエビデンスも弱く、エビデンスは主に先進国の近隣地域に集中しています。[ 133 ]
BTXはベンゼン、トルエン、キシレンの略です。これは石油精製所の環境に存在する一般的な揮発性有機化合物（VOC）のグループであり、精製所労働者の職業曝露限界、化学物質曝露、監視についてより詳細な議論を行うためのモデルとなります。[ 134 ] [ 135 ]
BTX化学物質への最も重要な曝露経路は、これらの化学物質の沸点が低いため吸入です。BTXのガス状生成の大部分は、タンク洗浄と燃料移送中に発生し、これらの化学物質が空気中に放出されます。[ 136 ]汚染された水を介した摂取によっても曝露が発生する可能性がありますが、これは職業環境では考えにくいです。[ 137 ] 皮膚曝露と吸収も考えられますが、適切な個人用保護具が備えられている職業環境では、これもまた可能性が低くなります。[ 137 ]
米国では、労働安全衛生局（OSHA）、国立労働安全衛生研究所（NIOSH）、および米国産業衛生専門家会議（ACGIH）が、石油精製所で労働者が曝露される可能性のある上記の多くの化学物質について、職業曝露限界（OEL）を設定しています。 [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]
特にベンゼンには、曝露量を測定するために測定できる複数のバイオマーカーがあります。ベンゼン自体は呼気、血液、尿で測定でき、フェノール、t , t-ムコン酸（t , t MA）、S-フェニルメルカプツール酸（s PMA）などの代謝物は尿で測定できます。[ 145 ] これらのバイオマーカーによる曝露レベルの監視に加えて、OSHAは、最も広く知られている白血病など、恐れられている血液学的結果の初期兆候を検査するために、労働者に対して定期的な血液検査を実施することを雇用主に義務付けています。必要な検査には、細胞分画を含む全血球数と末梢血塗抹標本が「定期的に」含まれます。[ 146 ] これらの検査の有用性は、正式な科学的研究によって裏付けられています。[ 147 ]
石油精製所の比較的近辺に多数の高出力機械があるため、作業員は身体的負傷の危険にさらされている。多くの化学反応に必要な高圧は、システム部品の爆発による鈍的外傷や貫通外傷を引き起こす局所的なシステム故障の可能性ももたらす。[ 162 ]
熱もまた危険です。精製プロセスにおける特定の反応を適切に進行させるために必要な温度は、1,600 °F (870 °C)に達することがあります。[ 124 ]化学物質と同様に、運転システムは、作業者に危害を加えることなくこの危険を安全に封じ込めるように設計されています。しかし、システムの故障時には、これは作業者の健康に対する深刻な脅威となります。懸念事項には、熱中症や熱傷による直接的な傷害だけでなく、作業者が過熱した試薬や機器に接触した場合に発生する可能性のある深刻な火傷も含まれます。[ 124 ]
騒音もまた危険要因です。製油所は非常に騒がしい環境であり、以前から労働者の難聴との関連が指摘されています。[ 163 ]石油精製所の内部環境は90 dB を超えるレベルに達することがあります。[ 164 ] [ 110 ]米国では、8時間労働日の平均90 dBが許容曝露限界（PEL）です。 [ 165 ] 8時間で 平均85 dBを超える騒音曝露には、労働者の聴力を定期的に評価し、その保護を促進するための聴覚保護プログラムが必要です。 [ 166 ]労働者の聴覚能力の定期的な評価と、適切に検証された聴覚保護具 の忠実な使用は、このようなプログラムの不可欠な部分です。[ 167 ]
石油精製業界に特有のものではないが、石油精製作業員は、車両関連の事故、機械関連の負傷、密閉空間での作業、爆発/火災、人間工学的危険、交代勤務に関連する睡眠障害、転倒などの危険にさらされる可能性もある。[ 168 ]
管理階層の理論は、石油精製所とその労働者の安全確保に向けた取り組みにも適用できる。
石油精製所では、原料、廃棄物、完成品の多くが何らかの形で有害物質（可燃性、発がん性など）であるため、排除や代替は考えにくい。 [ 148 ] [ 169 ]
エンジニアリング制御の例としては、火災検知/消火システム、構造的完全性の喪失を検知/予測するための圧力/化学センサー[ 170 ] 、炭化水素による腐食（構造的破壊につながる）を防ぐための配管の適切なメンテナンス[ 131 ] [ 132 ] [ 171 ] [ 172 ]などがある。石油精製所で採用されているその他の例としては、耐熱性/耐火性を向上させるために、鋼製部品を建設後にバーミキュライトで保護することが挙げられる[ 173 ] 。区画化は、火災やその他のシステムの故障が構造物の他の領域に広がるのを防ぐのに役立ち、異なる化学物質を適切な環境で安全に組み合わせることができるまで互いに分離しておくことで、危険な反応を防ぐのに役立つ可能性がある[ 170 ] 。
管理上の管理には、製油所の洗浄、保守、および定期修理プロセスの綿密な計画と監督が含まれます。これらは、多くのエンジニアリング制御が停止または抑制されているときに発生し、作業員にとって特に危険な場合があります。施設の1つの部分の保守が、保守作業を行う人やプラントの他のエリアの作業員に危険な曝露を引き起こさないようにするためには、詳細な調整が必要です。関係する化学物質の多くは非常に可燃性が高いため、喫煙エリアは厳しく管理され、慎重に配置されています。[ 129 ]
処理または製造される特定の化学物質によっては、個人用保護具（PPE）が必要になる場合があります。部分的に完成した製品のサンプリング、タンクの洗浄、および前述のその他の高リスク作業中は特に注意が必要です。このような作業には、不浸透性の外衣、酸性フード、使い捨てのつなぎ服などの使用が必要になる場合があります。 [ 129 ]より一般的には、作業区域のすべての人員は適切な聴覚および視覚保護具を使用し、可燃性素材（ナイロン、ダクロン、アクリル、またはそれらの混紡）で作られた衣服、および長ズボンと長袖を避ける必要があります。[ 129 ]
石油精製所の労働者の健康と安全は、労働安全衛生局（OSHA）と国立労働安全衛生研究所（NIOSH）の両方によって全国レベルで厳しく監視されています。[ 174 ] [ 175 ]連邦政府の監視に加えて、カリフォルニア州のCalOSHAは、この業界の労働者の健康保護に特に積極的で、2017年に石油精製所が各プロセス安全上の危険に対して「危険制御の階層分析」（上記の「危険制御」のセクションを参照）を実施することを義務付ける方針を採用しました。[ 176 ]安全規制の結果、精製業界の労働者の負傷率は平均を下回っています。米国労働統計局の2018年の報告書によると、石油精製所の労働者の労働災害発生率は、全産業（3.1件）、石油・ガス採掘業（0.8件）、石油製造業全般（1.3件）と比較して著しく低い（フルタイム労働者100人あたりOSHA記録対象件数0.4件）と報告されている。[ 177 ]
以下は、OSHA が発行した石油精製所の安全違反通知で参照される最も一般的な規制のリストです。[ 178 ]
金属部品の腐食は、精製プロセスの非効率性の主要因です。機器の故障につながるため、製油所のメンテナンススケジュールの主要な推進要因となっています。1996年時点での米国石油産業における腐食関連の直接コストは、37億米ドルと推定されています。[ 172 ] [ 179 ]
精製プロセスでは、水滴による孔食、水素による脆化、硫化物攻撃による応力腐食割れなど、さまざまな形態の腐食が発生します。[ 180 ]材料の観点からは、炭素鋼は精製所の部品の80%以上に使用されており、その低コストが利点となっています。炭素鋼は、最も一般的な腐食形態、特に205 ℃以下の温度での炭化水素不純物による腐食に対して耐性がありますが、他の腐食性化学物質や環境によって、あらゆる場所での使用が制限されます。一般的な代替材料は、クロムとモリブデンを含む低合金鋼であり、より腐食性の高い環境に対応するために、より多くのクロムを含むステンレス鋼が使用されます。一般的に使用されるより高価な材料は、ニッケル、チタン、銅合金です。これらは主に、極めて高い温度や非常に腐食性の高い化学物質が存在する最も問題のある領域のために確保されています。[ 181 ]
腐食対策は、監視、予防的修理、材料の慎重な使用といった複雑なシステムによって行われます。監視方法には、メンテナンス中に実施されるオフラインチェックとオンライン監視の両方が含まれます。オフラインチェックは、腐食が発生した後に測定を行い、収集した履歴情報に基づいて機器の交換時期をエンジニアに知らせます。これは予防管理と呼ばれます。
オンラインシステムはより現代的な発展であり、腐食へのアプローチ方法に革命をもたらしています。オンライン腐食モニタリング技術には、線形分極抵抗、電気化学ノイズ、電気抵抗など、いくつかの種類があります。オンラインモニタリングは従来、報告速度が遅く（数分または数時間）、プロセス条件や誤差の原因によって制限されていましたが、新しい技術では、1分間に最大2回の速度で、はるかに高い精度で報告できます（リアルタイムモニタリングと呼ばれます）。これにより、プロセスエンジニアは腐食をシステム内で最適化できる別のプロセス変数として扱うことができます。プロセス変更への即時対応により、腐食メカニズムを制御して、生産量を最大化しながら腐食を最小限に抑えることができます。[ 171 ]理想的な状況では、正確でリアルタイムのオンライン腐食情報があれば、高い腐食速度を引き起こす条件を特定して低減することができます。これは予測管理として知られています。
材料による方法には、用途に適した材料の選択が含まれます。腐食が最小限の領域では、安価な材料が好ましいですが、腐食がひどくなる可能性がある場合は、より高価ですが耐久性のある材料を使用する必要があります。その他の材料による方法は、腐食性物質と機器の金属との間に保護バリアを設けることです。これらは、標準ポルトランドセメントなどの耐火材料のライニング、または容器の内面に吹き付けるその他の特殊な耐酸性セメントのいずれかです。また、安価な金属を腐食から保護するために、多くの材料を必要としない、より高価な金属の薄いオーバーレイも利用可能です。[ 182 ]
