石油精製所はどのように動くのか

• 石油精製所は、数千種類の化学物質が混ざった原油を蒸留・分解・改質・処理の工程に分け、ガソリン、ディーゼル、ジェット燃料、潤滑油のような製品へと変える
• 中核となる最初の段階である常圧蒸留では、分子ごとに沸点が異なる性質を利用して原油を複数の留分に分ける。精製所に入った原油は脱塩の後、約650~750°Fまで加熱される
• 重い留分は接触分解、減圧蒸留、熱分解、コーキングなどを経て、より軽く価値の高い分子へと変わり、接触改質・異性化・水素化処理によって構造や品質も調整される
• Chevron Richmond製油所は1日あたり約25万バレルを処理でき、常圧蒸留・減圧蒸留・接触分解・接触改質設備を組み合わせて多様な石油製品を生産する
• 精製所の能力は1日あたりの処理量だけでは十分に表せず、Nelson Complexity Indexは各工程の処理能力と複雑度係数を用いて、その精製所がどれだけ多様な高度精製製品を作れるかを示す

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石油と精製の基本構造

• 世界は1日に1億バレル超の石油を消費しており、2023年時点で石油は世界のエネルギー使用の30%を占め、単一のエネルギー源として最大の比率を持つ
• 化学製造では石油とガスの比重はさらに大きく、化学原料の90%が石油またはガスに由来する
• 原油は地中から産出される時点で数千種類の化学物質が混ざった複合混合物であり、精製所はこの混合物を実際に使える化学物質や製品へと変える
• 大規模な精製所は数千エーカー規模の敷地を占め、建設費は数十億ドルに達し、1日に数十万バレルの原油を処理する
• 原油は主に、古代の海底に沈んだプランクトンや藻類などの有機物が堆積物に覆われた後、数百万年にわたって変化してできた液体である
• 原油成分の大部分は炭化水素であり、プロパンのような単純な分子から、アスファルテンのように数千個の原子を含みうる複雑な分子まで含まれる
• アスファルテンは厳密には炭化水素ではなく、主に炭素と水素からなるものの、硫黄や重金属のような他の原子も含みうる
• 原油は産地によって組成が異なり、カナダのオイルサンドのような場所の重質油には重い分子が多く、サウジアラビアのGhawar油田のような場所の軽質油には軽い分子が多い
• 北海Brent油田の原油のような低硫黄油は硫黄含有量が低く、メキシコ湾の一部原油のような高硫黄油は硫黄含有量が高い

蒸留で原油を分ける仕組み

• 精製所で最も重要な工程は蒸留であり、原油中の異なる分子が異なる温度で沸騰し、再び液体へと凝縮する性質を利用する
• 小さく軽い分子は低い温度で沸騰・凝縮し、大きく重い分子はより高い温度で沸騰・凝縮する
• 原油の沸点範囲は蒸留曲線で表せ、例示された曲線では約350°Cで原油の半分が沸騰し、525°Cで約80%が沸騰する
• ガソリンは単一の化学物質ではなく、主に炭素原子を4〜12個持つ炭化水素の混合物である
• EIAは完成ガソリンを、10%回収点で華氏122〜158度、90%回収点で華氏365〜374度の沸点範囲を持つ物質と定義している
• 回収点とは、液体の該当割合が気化した後に回収される温度を意味する
• 精製所に入った原油はまず脱塩された後、約650~750°Fまで加熱され、その大部分が蒸気に変わる
• 蒸気は、複数の高さに液体をためたトレイを備える長い蒸留塔へ入り、上昇しながら各トレイの液体を通過して少しずつ冷える
• 最も重い分子は蒸留塔の下部で先に凝縮し、より軽い分子は上部で後から凝縮し、最も軽い分子は最後まで気体のまま塔頂から抜けていく
• 最も重い分子は最初から液体のまま残って蒸留塔の底部から抜け、この方法で異なる重さの分子を分離できる
• ほぼすべての精製所は、まず原油を蒸留塔で複数の留分に分ける。この最初の段階は大気圧下で行われるため、常圧蒸留と呼ばれる

主な精製工程

• ガスプラント

  • 常圧蒸留塔の頂部から出るガスは、プロパン、メタン、ブタン、イソブタンなど複数の軽い分子の混合物である
  • 精製所はこの混合物を分離するため、複数の蒸留塔からなるガスプラントへ送ることがある
  • たとえばdebutanizing towerはブタン、プロパン、さらに軽いガスを残りの混合物から分離し、depropanizing towerはプロパンをブタンから分離する
  • ガスプラントへ送られるガスの大半には二重結合がなく、二重結合のない炭化水素は水素原子を最大限に持つ飽和炭化水素であるため、この設備はsats gas plantと呼ばれる

• 接触分解

  • 蒸留塔の底部からは重い液体が出てきて、蒸留工程で一度も蒸発しなかった最も重い分子は残油と呼ばれる
  • 重い分子のかなりの部分はそれ自体では価値が高くないため、精製所の重要な機能のひとつは、重油のような重い留分をガソリンのような、より軽く価値の高い留分へと切り分ける分解である
  • 分解は、自動車利用の拡大で増えたガソリン需要に対応し、原油1バレルからより多くのガソリンを得るために20世紀初頭に発明された
  • 今日では大半の精製所が接触分解を用い、常圧蒸留から出た重い留分を触媒と混合し、熱と圧力を加えて重い分子を軽い分子へ分ける
  • その後、サイクロン分離器で重い触媒を混合物から分離して洗浄・再利用し、分解されて蒸発可能になった油は再び蒸留塔へ送り、複数の留分に分ける
  • 接触分解の大半は流動接触分解であり、重い留分と混ざると流体のように振る舞う砂状の触媒を使う
  • 企業ごとに異なる流動接触分解プロセスが開発されており、1つの精製所が工程の複数箇所で複数の接触分解装置を使うこともある

• 減圧蒸留

  • 高温では蒸留塔の中でも分解反応が起こりうるが、分解は蒸留過程を妨げるため、精製所は常圧蒸留の温度を約650~750°Fに制限している
  • この制限のため、蒸留塔の底部には沸騰しなかった重い炭化水素混合物が残る
  • この混合物をさらに分離するには温度をもっと上げる必要があるが、そうすると分解が始まる可能性があり、常圧蒸留では扱いにくい
  • 解決策が、この混合物をほぼ真空に近い低圧の別の蒸留塔へ送る減圧蒸留、またはvacuum flashingである
  • 低圧では沸点も下がるため、重い留分を分解が始まるほど加熱せずに蒸留できる

• 熱分解とコーキング

  • 減圧蒸留から出た一部の重い留分は、そのまま接触分解装置へ送ってさらに軽い分子へ分けられる
  • 減圧蒸留塔の底部から出た最も重い分子は、触媒を汚染する重金属を含んでいたり、触媒を詰まらせるコークスを作りやすかったりするため、接触分解には適さない
  • こうした非常に重い分子を分解するために、一部の精製所は熱を使って分子を切り分ける熱分解工程を用いる
  • コーカーは、最も重い分子をより軽い分子とコークスに切り分ける熱分解装置である
  • 軽い分子は蒸留塔へ送って分離し、コークスは燃料として燃やすか、アルミニウム製錬用電極のような製造投入材として使える
  • ビスブレーキングは、一部の分子を分解し、残った留分の粘度を下げる熱分解方式である

• 分子構造を変える工程

  • 接触改質は、沸点が約122°F~400°Fのナフサ留分を触媒存在下で熱と圧力にさらし、ガソリン製造に使われるreformateという新しい化学物質混合物を作る
  • 異性化は、ブタンのような分子の物理的配列を変え、化学式は同じでも構造の異なる異性体を作る
  • 水素化処理は、触媒存在下で原油留分を水素と反応させて不純物を除去し、品質を高める
  • 水素化分解は水素化処理と接触分解を組み合わせたもので、残油の水素化転換は水素化処理と熱分解を組み合わせたものである

• 貯蔵設備

  • 精製所は、複数工程の入力と出力を保管するため、数百万ガロンの液体を貯蔵できるタンクファームを備える
  • プロパンやブタンのようなガスは通常、地上タンク、地下空洞、塩ドーム内で圧縮液体として貯蔵される

Chevron Richmond製油所の工程配置

• Chevron Richmond製油所はカリフォルニア州Richmondにある中〜大規模の精製所で、1日あたり約25万バレルの原油を処理できる
• 敷地の南側半分はタンクファームが占め、処理区域は北側と東側を囲むように配置されている
• Chevron Richmondは、約25万7千バレルの常圧蒸留、約12万3千バレルの減圧蒸留、約9万バレルの接触分解、約7万1千バレルの接触改質能力を持つ
• Chevron Richmondにはコーキング能力はないが、Los AngelesのChevron El Segundo製油所にはコーキング設備がある
• Chevronが過去にこの製油所を大規模改修した際、カリフォルニア州の環境品質法規への適合のため提出した詳細環境影響報告書には工程フロー図が含まれている
• 精製工程は常圧蒸留から始まるが、一部のheavy gas oilは蒸留工程を経ずに処理される
• 常圧蒸留で分離された留分は別の工程へ送られ、軽質ガスはガスプラントへ、ナフサは水素化処理・接触改質・異性化へと送られる
• ジェット燃料とディーゼル燃料はそれぞれの水素化処理工程へ送られ、より重い留分は複数の接触分解工程へ送られる
• 最終産出物は、重油、ディーゼル、ジェット燃料、潤滑油、ガソリンなど複数の原油製品である

精製能力と複雑性

• 米国には稼働可能な精製所が132カ所あり、合計で1日1800万バレル超の原油を精製できる
• 米国の精製所はテキサス州とルイジアナ州のガルフコーストに強く集中しており、ニュージャージー州・中西部・カリフォルニア州にも集積がある
• Chevron Richmondは米国内でも大きい方だが最大級ではなく、米国の精製所の約5分の1はChevron Richmondと同程度かそれ以上の規模である
• 米国には、1日50万バレル超を精製でき、Chevron Richmondの2倍を超える規模の精製所が6カ所ある
• インドのJamnagar製油所は名目処理能力ベースで世界最大の精製所で、1日140万バレルの原油を精製できる
• 1日あたりの処理バレル数は本質的に常圧蒸留能力を意味するため、精製所が実際にどんな製品を作れるかはこの数字だけでは十分に表せない
• 単純な精製所は常圧蒸留しか持たないこともあるが、複雑な精製所は多様な高度精製製品を作るために長い工程連鎖を備える
• Nelson Complexity Indexは、精製所が備える各工程の処理能力に、その工程のコストを常圧蒸留と比較した複雑度係数を掛け、それを常圧蒸留能力で割って複雑性を算出する
• たとえば、常圧蒸留10万バレルと減圧蒸留5万バレルを持つ精製所で、減圧蒸留の複雑度係数が2なら、指数は1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2となる
• ここに複雑度係数6の接触分解2万5千バレルを追加すると、指数は1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5へ上昇する
• 米国の精製所は概して複雑で、2014年時点で複雑度指数2以下の精製所は3%未満で、平均複雑度指数は8.7だった
• 2014年のChevron Richmondの複雑度指数は14で、米国平均より高かった
• Jamnagar製油所は世界最大であるだけでなく、複雑度指数が21で、事実上米国のほぼすべての精製所より複雑な水準にある

規模が生む産業的意味

• 精製工程の配置は非常に複雑になりうるが、多くの個別工程は概念的には意外なほど単純である
• 精製が高価なのは工程自体の複雑さだけでなく、処理しなければならない物質の量が非常に大きいためである
• Chevron Richmond製油所は小さな都市ほどの規模があり、Very Large Crude Carrier 1隻分の原油全量を1週間あまりで処理できる
• Chevron Richmondは特別に大きな精製所というわけではなく、米国には同規模かそれ以上の精製所が25カ所あり、2倍以上の規模の精製所も6カ所ある
• 世界の石油需要を維持するには、Richmond規模の精製所が約400カ所必要になる
• 米国は毎日2000万バレル超の石油を消費しており、この消費を支えるには巨大な精製所複合体が必要である

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Hacker Newsのコメント

• 約30年前、日本の横浜にある製油所を個人的に見学したことがある。当時、日本の石油会社の文書翻訳をフリーランスでしていて、翻訳していた設備を実際に見てみたいと言ったら訪問を手配してくれた。
  印象に残っているのは2つある。工場は通常稼働中だったのに、施設内を歩いたり車で回ったりしている間、ほかの人をほとんど見かけなかったこと。従業員は管制室にいるだけで、彼らもそれほど忙しそうには見えなかった。
  もう1つは、ほとんど臭いがしなかったことだ。その工場は高級住宅地の近くにあったので、硫黄臭やほかのガスが漏れれば苦情や罰金につながりかねず、当時翻訳していた文書の一部も悪臭放出の検知・防止システムに関するものだった。記憶では、工場の外周や近隣の住宅街を人が定期的に歩いて臭いを確認しており、訪問した日も石油の臭いがしたのは蒸留塔の近くくらいで、あとは近くの東京湾の匂いしかしなかった。
  • ヒューストンで育ったので、こういうプラントの臭いはほとんど避けられないものだと思っていたが、要するにメーカー側の選択の問題でもあると知って衝撃的だったし、同時に納得もいった。
    結局のところ、周辺コミュニティの経済的な力に大きく左右されるのだろう。
  • 現場で複数のプラントと契約して働いたことがあるが、おおむねその通りだ。いったん建ってしまえば常駐人員はそれほど多く必要なく、人が増えるのはたいてい定期保守・停止作業のときだ。
• 父が実際にJamnagar製油所で働いている。家族がときどき見学できたので、その中で育つような形で工場を見て訪れ、父の仕事に興味を持って精製工程をたくさん学んだが、本当にすばらしかった。
  この工場は10年以上にわたって世界最大規模で、実際に見ると本当に世界の不思議のように感じられる。粘り強さと工学が生み出した驚異的な成果物で、HNのトップページでこの記事を見かけてうれしかったし、文章もとてもよく書けていた。
  • Reliance創業者のDhirubhai Ambaniは、ドバイで給油の仕事をしていたとき、いつか自分の製油所を建てるという夢を抱いたそうだ。
    夢は夢としても、あれほど巨大な生産施設を実際にあの規模で築き上げたのは並外れた偉業だ。闘志と献身、総合的な実行力、そして最高水準の才能があふれていたのだと思う。
  • 2003年、まだ10代を出たばかりのころ、一部がまだ建設中だった製油所の内部を見たことがある。
  • 父はChemburのHPCL製油所で働いていた。子どものころは共和国記念日に訪問できたが、後には見学は中止された。
    最初は蒸留塔で働き、その後ディーゼル脱硫の部署に移った。そうでなければよかったのだが危険な仕事で、多くの命を奪ったひどいナフサ火災を含め、いくつもの事故を間一髪で免れてきた。
  • 1999〜2000年にRelianceのJamnagarでソフトウェアを作る契約仕事をしていた。当時はIoTとは呼ばれていなかったが、センサーや計器のような装置データをCORBA/C++インターフェースで報告するWebインターフェースを作っていて、当時としてはかなり先進的な仕事だった。
  • その話をもっと聞いてみたい。Relianceは今や米国でもJamnagar製油所のアプローチを再現しようとしている [0]。
    アジアの大企業やEPCが石油化学チェーンをますます支配し、かつて米国が主導していた産業がそうしたパートナーにより依存するようになっている流れは興味深い。わずか25年でとてつもない変化だ。
    [0] - https://www.bloomberg.com/news/articles/2026-03-11/reliance-...
• すぐに「That Time I Tried to Buy an Actual Barrel of Crude Oil」を思い出した。
  https://news.ycombinator.com/item?id=43761572
  https://archive.is/kLFxg
  そこからさらに「Planet Money Buys Oil」へとつながる。
  https://www.npr.org/sections/money/2016/08/26/491342091/plan...
• 製油所がどう動くのかはここで見られる。
  https://www.myabandonware.com/game/simrefinery-e65
  実際にChevronのために作られたものだ。
  そしてマニュアルもある。
  https://archive.org/details/sim-refinery-tour-book_202006/mo...
  • 昔、似た目的で作られたシェアウェアの原子力発電所シミュレーションを遊んでいたのを思い出す。
• 現実の石油化学の経験はなく、ゲームの経験ばかり多いので、原油処理の図式があまりにも見慣れていて驚いた。FactorioとGregTechはかなり現実的な石油処理ラインの代表例で、ゲームとして無理なく再現できる範囲では相当正確なのだと思う。
  • 同じことを考えた。FactorioとGregTechをかなりやったおかげで、化石燃料の大きな利点は単なるエネルギー出力だけでなく副産物にもある、というふうにエネルギー生産を見直すようになった。
• この記事は現代のエネルギーミックスにおける石油の巨大な役割を手早く押さえているが、エネルギーの大半が廃熱で終わる点は見落としている。いわゆる「Primary energy fallacy」だ。その点を除けばすばらしい記事だ。
  • 石油掘削装置、パイプライン、製油所、化学プラントで働いたことのある立場からすると、原油はエネルギー源というより素材としてのほうがずっと価値が高く見える。あれだけ大量のものを、物理的な材料として残さず、熱を得るために燃やしてしまっているのはいまだに本当にもったいなく感じる。
    経済性が極めて重要で、現時点では原油の大きな割合を燃やすほうが経済的に有利だということも理解している。しかし適切な投資と少しの運があれば、その経済性は変えられるかもしれないし、そうなるのを見てみたい。
  • 地中から汲み上げた石油全体の40%が石油の輸送に使われている、という統計を聞いたことがある。つまり実際に使われる前に、ほぼ半分をあちこちへ運ぶために使っているということになるが、これが正確なのか気になる。
• 「ナフサ」が原油、ディーゼル、灯油、ガソリン、あるいはホワイトスピリットのような物質まで指しうるのは驚きだ。
  付け加えると、語源はアッカド語らしい。自分が知っているアッカド語の単語なんていくつあるだろう？
  • RP-1ロケット燃料とJet-A航空燃料は、どちらも灯油系だ。
• 数年前、製油所のそばを通りかかったとき、大きな炎で廃ガスを燃やしている塔が2〜3本あるのを見た。無駄に見えたし、燃やせるなら何か生産的なことに使えそうにも思えた。
  今でもあのガスをただ燃やしているのか気になる。
  • 製油所でそのようにフレアリングを行うのは、たいてい燃やしている物質が利用に適していないか、利用可能な状態にするコストが販売価格を上回るからだ。
    石油生産の副産物として出るメタンは量が少なく、処理設備や供給網を作る価値がないときによく燃やされる。また、流体が硫黄化合物などでひどく汚染されていて精製コストが高い場合もあるし、生産が不安定または断続的で、連続生産プロセスを維持できない場合もある。
    ただ最近では、こうした廃ガスを活用するフレアガス回収システムがあり、通常は製油所自体の自家発電に使われる。
  • ガスを燃やして処分する場所の1つが埋立地だ。嫌気性分解でメタンが生じ、気候への影響を減らすには燃やさなければならない。
    残念な副作用として、鳥、特に猛禽類の負傷がある。フレアスタックにとまるのを好むのだが、突然火がつくと、運がよくても羽が傷むだけで済まず、保護やリハビリが必要になる。とまりにくいようにスタックを設計すれば減らせるはずだが、常にそうしているわけではない。
  • たいていは少量の廃棄物で、ガス処理は留出油分とはまったく別物だ。
    有用化するには、そのガスを液化するか、パイプラインで集める必要がある。現代の製油所はフレアリングの代わりにガスを活用している、という記事を読んだ記憶はあるが、具体的にどうやっているのかははっきりしない。
  • 主な目的は、余ったガスをすばやく燃やして処分する安全装置に近い。ガスをそのまま大気中に放出するほうがはるかに悪い。
  • 聞いた説明では、フレアが見えているということは何かがうまくいっていないという意味だ。致命的でも深刻でもないかもしれないが、計画通りに進んでいないというシグナルではある。言われてみればその通りで、売れるものならわざわざ燃やしはしないだろう。
• 前に誰かが投稿していた関連ゲームがある。 https://hnarcade.com/games/games/refinery-simulator
• 石油産業全体がどう、そしてなぜ動いているのか知りたいなら、Oil 101は興味深い読み物だ。
  • Morgan Downeyの書いた本のこと？