オイル精炼所の仕組み オイル精炼所とは、原油をガソリン、ディーゼル燃料、ジェット燃料、潤滑油など使用可能な製品へと変換する複雑な産業施設です。一般的な精製プロセスは、以下の主要ステップを通じて進行します。 1. **蒸留**: 原油が蒸留塔へ導入され、加熱して各成分を異なる温度で気化させます。これらの蒸気は、塔内の様々な高さにおいて沸点の違いを利用して凝縮し分離されます。これにより、軽部（ガソリン）、中部分（ディーゼル燃料、ジェット燃料）、重質底油（灯油）などのフラスクションが得られます。 2. **変換**: 燃料として直接利用できない重質成分については、流化床触媒裂解（FCC）や加水分解といった変換ユニットを通じて処理されます。これらのプロセスでは、大型かつ重質の分子をより価値の高い小分子に分解し、収率と利益性を最大化します。 3. **精製**: 製品ストリームから硫黄、窒素、金属などの各種不純物を除去する必要があります。これを行うために、水素添加脱硫（加圧水素処理）、脱硫化、その他の化学的な処理を行い、最終製品が厳格な環境基準および性能仕様を満たすことを確保します。 4. **ブレンド**: 精製された成分は、オクタン価、エネルギー含有量、排出ガス基準に適合する完成燃料を製造するために、所定の比率で混合・ブレンドされます。この段階では、酸化防止剤、防食剤、洗浄添加剤などの添加剤も導入される場合があります。 5. **貯蔵と流通**: 最終製品はパイプライン、鉄道、トラック、船などを通じてガススタンド、工業ユーザー、その他の消費者へ供給される前に、タンクに貯蔵されます。

風力発電や太陽光発電が世界のエネルギー供給においてこれまで以上に大きなシェアを獲得している一方で、現代社会は依然として石油に依存しており、今後見通しうる将来もその傾向は続きそうです。世界で消費される石油量は一日当たり 1 億バレルを超えており、2023 年時点では世界全体のエネルギー利用の約 30% が石油によって賄われていました（これは他のあらゆるエネルギー源を上回るシェアです）が、次第にその比率は低下しています。化学製造業においては石油の重要性はさらに際立っており、驚くべきことに化学原料となるフィードストオックの約 90% が石油や天然ガス由来です。ほぼすべてのプラスチックは、石油または天然ガスから抽出された化学品によって作られており、潤滑油や塗料、合板、合成繊維、肥料に至るまで多岐にわたる製品を生産するために petroleum 由来の化学品が利用されています。

私たちが膨大な量の石油を消費できるのは、原油精製所があるからです。地中から採掘された石油は、数千種類もの異なる化学物質が混ざり合った複雑な混合物です。原油精製所はこの混合物を受け取り加工し、実際に利用できる化学物質に変換します。世界の石油消費量が莫大であるため、原油精製所は地球上でも最大級の産業施設の一つとなっています。大型の原油精製所は数千エーカーに及ぶ規模を持ち、建設費用は数十億ドルに達します。また、一日当たり数 10 万バレルを超える原油を精製する能力も有しています。

石油は、主に古代海洋底部に沈み死んだプランクトンや藻類といった有機物が分解されて生成された液体です。この亡骸の有機物は次第に堆積物に覆われ、数百万年かけて原油へと変化したのです。原油は数千種類もの異なる化学物質からなる混合物であり、その大部分は水素と炭素原子から成る炭化水素化合物です。原油中の分子は、プロパン（炭素 3 個、水素 8 個）、ブタン（炭素 4 個、水素 10 個）といった単純なものから、あるアスファルテン分子には数千個の原子を含む極めて複雑な構造を持つものまで多様です。

地球上の異なる地域で採掘された原油は、その場所ごとに異なる組成の水素化合物や他の分子を有しており、結果として一種の「原油分類学」が生じています。「重質」原油（カナダオイルサンズなどに存在するもの）には比較的重い分子が多く含まれる一方、「軽質」原油（サウジアラビアの Gawar 油田などに存在するもの）は比較的重い分子が少なく、軽い分子が多い傾向にあります。「甘口」原油とは硫黄含量が低い原油を指し（北海ブレント油田などから採掘されるものが該当）、「酸味」原油とは硫黄含量が高いものを指します（メキシコ湾などで採掘された一部の原油に該当）。

原油精製所の役割は、この水素化合物とその他の分子の混合物を処理することであり、混合物を個々の化学物質やグループに分け、各種化学反応を利用して低付加価値な化学品を高付加価値で有用なものへと転換させることです。

精製所では多種多様な分離・加工手法を用いますが、その中で最も重要なプロセスは undoubtedly 留分分離（蒸留）です。原油に含まれる異なる分子はそれぞれ異なる沸点を持ち、液体に戻る凝縮温度も異なります。分子量が小さく軽い分子ほど低い温度で気化し凝縮するのに対し、分子量が大きく重い分子ほど高い温度での気化と凝縮を示します。この沸点の範囲を「蒸留曲線」として表現することができ、そこには原油のどの部分が異なる温度で気化するかが示されます。以下の例示される曲線では、約 350°C 時点で半分の原油が気化し、約 525°C では全体の約 80% が気化していることがわかります。また、各原油は内部に含まれる分子の比率の違いにより、多少異なる蒸留曲線を示します。

原油から得られる物質は、多くの場合その沸点範囲によって定義された化学物質の混合物です。ガソリンについても同様で、単一な化学物質ではなく、炭素原子数が 4 から 12 の間の分子を主成分とする炭化水素混合物です。米国エネルギー情報局（EIA）は、完成品としてのガソリンを「回収率 10% の時点で 122～158°F、回収率 90% の時点で 365～374°F の沸点範囲を持つもの」と定義しています。

原油精製所では、この沸騰と凝縮の性質を利用して、蒸留塔によって原油を異なる化学物質群（分画）へと分離します。原油が精製所に導入されると、まず其中的塩分が除去され、その後 650～750°F まで加熱され、原油の大部分を蒸気状態にします。この蒸気は、さまざまな高さのトレイが備え付けられた高層の塔内に供給されます。各トレイには液体が満たされており、高温の蒸気が塔を上昇する過程で、それぞれのトレイにおいて液体と接触しわずかに冷却されます。蒸気が十分冷やされると再び液体へと凝縮します。沸点が高く重い分子ほど先に凝縮するため、塔の底部から分離され、軽い分子はより高い位置まで上昇した後に凝縮するため、塔の上端で分離されます。極めて軽い分子に至っては凝縮するに至らず、気体状态のまま塔の上端から排出されます。同時に、極めて重い分子は最後まで液体状態を維持し、塔の下端から排出されます。これにより、異なる重量を持つ分子群が分離できます。

原則としてほぼすべての原油精製所では、まず蒸留塔を用いて原油を各種の分画に蒸留します（ただし、各精製所によって分離される具体的な分画は異なります）。この蒸留は大気圧下で行われるため、精製プロセスの第一段階として「大気圧蒸留」と呼ばれます。単純な精製所ではこれだけで済む場合もありますが、多くの精製所ではこれらの分画をさらに処理するために他の工程へと送り出します。精製所が採用する工程は目的に応じて多岐にわたりますが、ここでは広く利用されている代表的な工程のいくつかについて説明します。

大気圧蒸留塔の上端から排出される気体には、プロパン、メタン、ブタン、イソブタン（構造の少し異なるブタンの一種）などの複数の軽い分子が混ざり合っています。この混合物を構成要素のガスへと分離するため、精製所はガス処理プラントへ送り込むことができます。これは、混合物から各種物質を凝縮させるために設計された一連の蒸留塔群で構成されています。例えば、ガス混合物流は「デブタナ化塔」を通ってブタンとそれより軽い気体を他の成分から分離し、その後得られたブタンおよび軽い気体はさらに「デプロパン化塔」へと送られ、そこでプロパンとブタンを分離します。

一方、蒸留塔の上端からは軽いガスが排出されるのに対し、下端からは重い液体が排出されます。蒸留の過程で一度も気化することなく抽出される極めて重い分子は「レシデュアル（残分）」と呼ばれます。多くの重分子単独では特に価値がありませんため、精製所の最も重要な機能の一つは、重質分画（例えば重油）をガソリンなどのより軽い高付加価値な製品へと分割する「クラッキング（割裂反応）」です。

クラッキング技術は 20 世紀初頭に発明され、自動車利用による需要増に対応するため、一バレルの原油からより多くのガソリンを抽出する方法として開発されました。年月を経てクラッキング法は進化し、現在では多くの精製所が「触媒クラッキング」（通称：cat cracking）の某種を採用しています。触媒クラッキングにおいては、大気圧蒸留からの重質分画を触媒（化学反応を促進するための物質）と混合し、熱と圧力を加えることで、重い分子を軽い分子へと分割します。その後、遠心分離器を用いて混合物から触媒を分離し、洗浄して再利用します。これにより割裂され気化可能な状態となった油は、別の蒸留塔へと送られ、さらに各種の分画へと分割されます。

現在利用されているクラッキングのほとんどは「流体触媒クラッキング」であり、重質分画と混合された際に行のように振る舞う砂状の触媒を使用します。各社ごとに異なる流体触媒クラッキングプロセスを開発しており、精製所によってはプロセス内のさまざまな部分で複数の触媒クラッカーを併用している場合もあります。

触媒クラッカーは重い炭化水素を分解する化学反応を促すように設計されていますが、これらの反応は熱が高すぎるほど蒸留塔内でも起こり得ます。クラッキングは蒸留プロセスに邪魔となるため、精製所では大気圧蒸留の温度をクラッキングが始まる点以下（約 650～750°F）に限定します。その結果、塔底部には重い且つ未沸騰の炭化水素混合物が残されます。この混合物をさらに分画へと分離して有効活用することは有用ですが、大気圧蒸留ではクラッキングが開始される温度まで加熱することなく行えません。

解決策は、この混合物を極めて低い圧力（真空に近い状態）下で動作する別の蒸留塔に送り込むことです。このプロセスは「真空蒸留」または「バキュームフラッシング」と呼ばれています。低圧により沸点が低下するため、クラッキングが始まる温度まで加熱することなく重質分画を蒸留することが可能になります。

真空蒸留から排出される一部の重質分画は、さらに軽質な物質へと分割するために直ちに触媒クラッキングユニットへ送られます。しかし、真空蒸留塔の底部から排出される極めて重い分子は触媒クラッキングに適しません。多くはこの分子が含有する重金属が触媒を毒化するためであり、またこれらの分子の化学反応によりコークス（炭素豊富な固形物）が生じやすく、触媒を詰まらせる可能性があります。このような極めて重い分子をクラッキングすることが有用であるため、一部の精製所では熱クラッキングプロセスを採用し、熱を用いて分子を分割します。「コーカー」とは、最も重い分子をより軽いものおよびコークスへと変換する熱クラッカーです。得られる较轻な分子は蒸留塔へ送られて分画されます。一方、コークスは燃料として燃やすか、製造原料として利用できます（例えばアルミニウムの电解プロセスに用いられる電極などはコークスから作られています）。また、別の種類の熱クラッキングである「ビスコックリング」（粘度低下を意味する viscosity breaking の略）は、一部の分子をクラッキングし、残りの分画の粘性を下げるために用いられます。

クラッキングのほかにも、精製所では種々の化学構造を修飾するための他のプロセスを採用します。触媒改質は、ナフタ分画（原油中で沸点が約 122°F から約 400°F の部分）を採取し、触媒存在下で熱と圧力を加えることで新たな化学物質混合物である「リフォーマート」を生産し、これをガソリン製造に使用します。同分体化プロセスは、ブタンなどの各種分子を取り、その物理的な配置を変更して異性体（化学式は同じだが構造配置が異なる分子）を生成します。加水触媒精製（ヒドロトリートメント）は、触媒存在下で水素と各種原油分画を反応させることにより不純物を除去し品質を向上させます。（ヒドロトリートメントは単独でも行えますが、通常他のプロセスと組み合わせられます。例えば、ハイドロクラッキングは加水触媒精製と触媒クラッキングの組み合わせであり、残渣ハイドロコンバージョンは加水触媒精製と熱クラッキングの組み合わせです。）

これらのプロセスから得られる各種投入原料・生成物を貯蔵するため、原油精製所には数百万加ロンの様々な液体を収容できる多数の大型タンク（タンクファーム）が配備されています。プロパンやブタンなどのガスは通常、地上タンク、地下 cavern または塩ドーム中に高圧液体として貯蔵されます。

これらの多様なプロセスがどのように配置されているかを理解するためには、実際の精製所での実施例を見てみると良いでしょう。以下の図はケミカル・リッチモンド（カリフォルニア州）の精製所の配置を示しており、これは一日当たり約 25 万バレルの原油を処理できる中規模の精製所です。タンクファームは敷地の南側に位置し、製造エリアは北側と東側に広がっています。

以下のチャートは、同精製所における各プロセスの毎日処理能力を示しています。ケミカル・リッチモンドには前述の多くのプロセスが備わっていることが確認できます：大気圧蒸留で約 257,000 バレル、真空蒸留で約 123,000 バレル、触媒クラッキングで約 90,000 バレル、触媒改質で約 71,000 バレルの処理能力を有しています（ケミカル・リッチモンドにはコークス能力はありませんが、同社より規模の大きいロサンゼルスのエルセグンド精製所には備わっています）。

これらのプロセスの実態における配置を理解するためには、精製所のプロセスフロー図を確認することができます（この図は数年前にケミカルが同精製所を大幅に改修した際、カリフォルニアの環境品質法に対応するために非常に詳細な環境影響評価書を提出する必要が生じたため、公開されています）。

図より、精製プロセスは大気圧蒸留から始まります（ただし、一部の重質ガソイルは蒸留プロセスをスキップして処理されることもあります）。この蒸留によって原油が各種の分画へと分離されます。その後、これらの分画は他の様々なプロセスへと転送されます。軽いガスはガスプラントへ、ナフタは加水触媒精製、触媒改質、同分体化工程へ送られます。ジェット燃料とディーゼル燃料はそれぞれの専用加水触媒精製プロセスへ、重質分画は各種の触媒クラッキングプロセスへと送られます。これら全てのプロセスの出力物として得られるのは、重油、ディーゼル燃料、ジェット燃料、潤滑油、そしてもちろんガソリンなど多様な原油製品です。

ケミカル・リッチモンドは米国内に存在する 132 の稼働中の原油精製所の一つに過ぎず、これら全体で一日当たり 1,800 万バレル超の原油を精製する能力を有しています。これらの精製所の立地は極めて集中しており、大半がテキサス州とルイジアナ州のメキシコ湾岸沿岸に位置し、ニュージャージー州、中西部、カリフォルニアにもクラスターが存在します。

精製所能力の分布を見ると、ケミカル・リッチモンドは大型部に属しますが、最も大きなものではありません。米国の精製所の約五分の一はこの規模またはそれ以上の大きさです。さらに六つの米国精製所では、一日当たり 50 万バレル以上の原油を精製する能力があり、これはリッチモンドの倍以上の処理能力を持ちます。また世界中にはさらに大きな精製所もあります：インドにあるジャムナーガー精製所は世界で最大の生産能力を有し、一日当たり 140 万バレルの原油を精製しています。

しかし、バレル／日という単位での容量（本質的には大気圧蒸留能力）を見ただけでは全体像の半分しか把握できません。前述したように、各精製所は設計された生産製品に応じて異なる処理設備を設置します。単純な精製所では大気圧蒸留のみを主とし、複雑な精製所では多岐にわたる高純度製品を生産するための長大な工程列を採用しています。以下のチャートは、米国の各種プロセスにおける集計的な精製能力を示しています。

米国における各精製所の相対的な複雑さを評価するためには、ネルソン複雑性指数（Nelson Complexity Index）を用いることができます。これは精製所の複雑性を測定することを目的としています。この指数は、精製所が採用する各工程について、その精製能力に「複雑性係数」を乗算し（その工程のコストを大気圧蒸留コストと比較して定めた値）、その後でそれを精製所の大気圧蒸留能力で除算することによって構築されています。したがって、大気圧蒸留能力が 10 万バレル（複雑性係数 1）、真空蒸留能力が 5 万バレル（複雑性係数 2）の精製所であれば、複雑性指数は 1 ＋ 2×50,000/100,000＝2 となります。さらに触媒クラッキング能力を 2.5 万バレル（複雑性係数 6）追加した場合、その複雑性指数は 1 ＋ 1 ＋ 6×25,000/100,000＝3.5 に上昇します。

米国の大部分の精製所は比較的複雑な構成を持っています。2014 年時点では、複雑性指数が 2 またはそれ以下の精製소는 3%未満に過ぎず、平均的な複雑性指数は 8.7 でした。2014 年時点でケミカル・リッチモンドの複雑性指数は 14 で、米国平均よりも高かった一方、インドのジャムナーガー精製所は世界最大かつ特に複雑で、複雑性指数 21 は実質的な米国のいかなる精製所よりも高い複雑性を示しています。

石油精製において私たちに最も印象的なのは、プロセス自体の複雑さではありません。確かに各プロセスの配置はしばしば極めて複雑ですが、多くのプロセス自体は概念的には意外にシンプルです。私が感銘を受けるのはその圧倒的な規模です。精製はプロセスがそれほど複雑であるためではなく、処理しなければならない物質の量が莫大であるために高コストな事業となります。ケミカル・リッチモンド精製所は小都市の規模に相当し、大型原油運搬船（VLCC）全体の荷物を約一週間強で処理する能力があります。さらにリッチモンドも特に大きな精製所ではありません：米国にはこの規模以上の精製所が 25 カ所存在し、六つはその倍以上の規模を持っています。全世界では、石油需要を満たすためにリッチモンド程度の精製所を 400 個必要としています。

テキサス州またはルイジアナ州に居住されている方にはこれらの側面はもはや明らかなことかもしれませんが、私たち大多数の人々は文明の血液を送り続ける巨大な工業機械を意識することなく日常生活を送ることができます。しかし米国は一日当たり 2,000 万バレル以上の石油を毎日消費しており、それを可能にするために大規模で複雑な原油精製ネットワークが必要とされています。