エネルギー供給、燃料供給

2.2.4

石油

製油所の貯蔵タンクには、原油タンク、製油所の設備構成

石油製品タンク、化学薬品タンクの 3 種類があります。原油タンクは円筒形です

製油所の設備は、入荷設備、原油タンク、多数の精製装が、容量が大きいので直径が数十メート置、製品タンクで構成されています。精製装置は原料を成ルの少し平べったい形状です。通常は原分構成の異なる留分に変換し、不純物を除去して多種類の製品に仕上げています。各精製装置には反応器、蒸留塔、熱交換器などの機器と、輸送のための配管やポンプが組み込まれています。また装置ごとに中間製品タンクがあり、前の装置の製品が原料として貯蔵されています。

油の種類ごとに貯蔵しています。原油タンクの大きな特徴は、図１のように天井が貯蔵量に応じて上下する「浮き屋根式」になっている点です。理由はタンクの上部に、炭化水素の蒸気が溜まる空間を残さないためです。というのも、タンクの上部に炭製油所は大量の原油を処理し、多様な石油製品化水素の蒸気が残ると、原油を搬入する時に外部を製造する工場ですから、敷地面積は処理量が少に排出する必要が生じて、損失になるからです。

なくても数十 ha、処理量が多い工場は数百 ha もあります。敷地の大きな割合を占めるのは周辺の緑地で、景観の保持と同時に緊急時における隣接地域との緩衝帯になります。かなり広い面積を占めるのは、原油と石油製品の貯蔵タンク群で、大小合わせて数百基に達するでしょう。石油製品を製造する精製設備は、製油所の心臓部ですが面積の割合は大きくありません。
日本の製油所は全部が臨海立地ですから、海に面して原油の入荷設備と、石油製品を出荷する船
図 1.

積み設備があります。出荷には製油所から内航タ浮き屋根式の原油タンクンカーによる離れた都市への輸送と、近隣地域へ石油製品のタンクは、通常、縦置きの円筒形で、のタンクローリー輸送があります。原油の入荷設

直径は十数メートルが多いです。ただし、LPG は備は、数百メートル沖合に設置するタンカーの係圧力が高いので、球形タンクが多く採用されてい留施設で、シーバースと呼ばれています。原油タます。化学薬品のタンクも大部分が円筒形です。

ンカーは喫水が深いので、沖合に搬入専用の施設を設け、そこから配管を通して陸揚げしているの２．石油製品を製造する装置群です。一方、出荷用の内航タンカーは喫水が浅いので、岸壁から積み込みます。タンクローリーに

図 2 に一般的な製油所の製造装置構成を示しまよる出荷設備は、海側ではなく陸側に設置してあす。左側が原油から石油製品を製造する装置群で、り、計量設備が備わっています。

１．貯蔵タンク群
1図２．製油所の装置構成（エチレン製造装置以降は石油化学工場）
右側が軽質ナフサから石油化学製品を製造する石が低くてガス化しやすい LPG 成分を、燃料油から油化学工場の装置群です。製造装置群の右端に示分離するトッピングの意味が元になっています。

すのが製品群で、製油所の最終製品はナフサ、プ

常圧蒸留塔は原油の全量を処理するので、製油所

ロパン、ブタン、ガソリン、灯油、軽油、A 重油、の中では最大規模の塔です。通常、直径が 10 メーC 重油、コークス、アスファルトです。原油は各トル以上もあるので、遠くからでも太くてずんぐ

装置で製品に求められる炭化水素の成分構成に変りした姿を確認できます。

換され、最終製品になります。各装置は「ユニッ2.2 LPG 回収装置

ト」と呼ばれ、多数の基本的な設備（機器）で構成されています。

図 2 では省略していますが、常圧蒸留装置の右2.1 常圧蒸留装置

上に、複数の蒸留塔で構成する LPG 回収装置があります。常圧蒸留塔で得られる沸点の低い成分に常圧蒸留装置は、原油を LPG 留分、ナフサ留分、は、ナフサに適した留分と LPG に適した炭化水素

灯油留分、軽油留分、重質軽油留分、重油留分、常が混在しているので、ナフサ留分は軽質ナフサに、圧残油留分に分ける装置です。原油の炭化水素構

LPG に適した炭化水素はプロパンとブタンの最成を、最終製品に求められる炭化水素構成に粗く終製品にします。

分ける一次装置といってよいでしょう。常圧蒸留
2.3 ナフサ・灯油・軽油脱硫装置

装置と呼ぶのは、装置の基幹設備が常圧で操作する蒸留塔だからです。トッパーと呼ぶのは、沸点2ナフサ脱硫装置、灯油脱硫装置、軽油脱硫装置などで構成されています。この反応では水素が発は、それぞれの留分に含まれている硫黄分を分離生するので、他の装置に供給されます。

する装置です。各留分に水素を加えて触媒反応器
2.6 減圧蒸留装置

を通すと、硫黄分は水素と結合して気体の硫化水素になるので、反応器の下流で液状の燃料油と分離します。硫化水素は減圧軽油脱硫装置や重油脱常圧蒸留装置で得られる常圧残油には、軽油留硫装置でも発生します。このため 1 ヵ所に集めて、分に近い炭化水素、もっと沸点が高い重油留分の硫化水素と同時に発生する不純物を除去してから、炭化水素、さらに沸点の高いアスファルト留分の硫黄回収装置で硫黄を回収します。したがって、炭化水素が含まれています。減圧蒸留装置は、減黄色い粉末状の硫黄も製油所の最終製品になりま圧にすることで操作温度を下げた蒸留塔で、これす。なお、図２では脱硫に必要な水素を製造するらの 3 留分を分離します。装置は主に常圧残油を装置や、硫黄回収装置を省略しています。

加熱する加熱炉、外観が太めの減圧蒸留塔、減圧蒸留塔の中間から留分を抜き出して冷却し、塔に2.4 異性化装置戻すための熱交換器で構成されます。冷却するのは、蒸留に必要な塔内の落下液を作るためです。

原油を構成する炭化水素には、エタンやプロパ

原理的には操作温度が高くても蒸留できますが、ンのように炭素が直列に並んだ分子構造の直鎖系

操作温度が高くなると沸点の高い炭化水素が熱分と、ベンゼンやトルエンのように炭素が環状に繫解し、一部が炭化して収率が低下します。

がった芳香族系があります。また、炭素数が 4 個
2.7 減圧軽油脱硫装置（間接脱硫装置）以上の直鎖系には、炭素の一部が分岐している異性体があります。たとえば炭素数が 4 個のブタンの場合、完全な直列ならノルマルブタン、1 個が分減圧軽油脱硫装置（間接脱硫装置）は、減圧蒸留岐していればイソブタンになります。炭素数が主装置で得られた軽油留分に近い炭化水素から、硫に 5 個から 10 個の炭化水素で構成される自動車黄分を分離して除去する装置です。脱硫の原理はガソリンの場合、炭化水素が直鎖系よりも芳香族軽油脱硫装置と同じで、水素を加えて触媒反応器系の方が、また直鎖系でも異性体の多い方がオクを通すと、硫黄分が水素と結合して気体の硫化水タン価を高くできます。このため、直鎖系の炭化素になります。したがって反応器の下流で液状の水素を異性体に変換するのが異性化装置です。装燃料油と分離し、硫化水素は不純物を除去してか

置は原料加熱炉、反応器、生成炭化水素の気液分ら硫黄回収装置に送って硫黄を回収します。軽油離槽、蒸留塔などで構成されています。

脱硫装置で処理する軽油留分より高分子の炭化水素が多いので、水素の添加消費量は多くなります。

2.5 接触改質装置

このため、下流の気液分離槽が 2 段階になります。
間接脱硫装置とも呼ぶのは、減圧蒸留装置を設置

この装置は、直鎖系の炭化水素を芳香族系に転せずに、常圧蒸留装置から得られる常圧残渣（重換し、ガソリンのオクタン価を向上させるのが目油留分）を直接脱硫する場合もあるからです。

的です。ガソリン留分の質を改善するので、一般
2.8 重油脱硫装置（直接脱硫装置）

的にはリフォーマーと呼ばれています。装置は、原料加熱炉、反応器、生成炭化水素の気液分離槽
3常圧蒸留塔の塔底からは、原油の中で最も分子ン留分、灯油留分、軽油留分に変換する装置です。

量が大きく沸点が高い炭化水素で構成される留分反応器を使いますが、使う触媒には熱分解で生成が得られます。硫黄分は高分子の炭化水素に多くした炭素が付着して性能が劣化します。このため、含まれているので、常圧残油の硫黄含有量が最も触媒を連続的に抜き出して再生し、反応器に戻し多いです。このため、水素を加えて触媒反応器をます。連続的に操作するため、触媒を粒状化して通すのですが、反応性を高めるのに非常に高い圧重油留分と一緒に反応器に導くので、流動接触分力が必要です。下流には 2 段階の気液分離槽と、解装置（FCC： Fluidized Catalytic Cracking）とその下流に軽油留分と重油留分を分ける蒸留塔が呼ばれます。反応器の下流には、各留分に分ける必要です。他の脱硫装置より構成が複雑で高価で蒸留塔が続きます。

すが、硫黄分の除去量が多いのが大きな長所です。
2.10

この装置は最も硫黄分の多い留分を、減圧蒸留を熱分解装置（コーカー）経ないで脱硫するので直接脱硫装置と言われます。
常圧蒸留装置の常圧残油や減圧蒸留装置の減圧
2.9 接触分解装置（FCC）

残油は、原油中で最も沸点が高い炭化水素群です。
温度が高ければ液体ですが、常温では固体なので減圧軽油脱硫装置（間接脱硫装置）で得られる燃料としては使われず、通常はアスファルトとし重油留分や、重油脱硫装置（直接脱硫装置）で得らて道路舗装に使っています。熱分解装置（コーカれる重油留分は、分子量の大きい高沸点成分の炭ー）は、アスファルトを加熱して含まれている低化水素です。接触分解装置（FCC）は、この重油沸点成分を完全にガス化し、残った炭素をコーク留分を分解し、40％～50％を LPG 留分、ガソリスとして最終製品にする装置です。

表 1．石油精製装置を構成する基本的な共通設備
主要機器

目的

構造：基本構造の種類は少ない

反応器

構成成分を変換する。

多くは円筒形で内部に触媒が充填される。

蒸留塔

沸点の違いを利用して内部に棚段か充填物の塔形式（１段～数十段）原料を分離する。

１段の場合はフラッシュ塔と呼ぶ。

溶解度の違いを利用して特定構造は蒸留塔とほぼ同じ。

吸収塔

成分を分離する。
放散塔

低沸点成分を分離する。

構造は蒸留と同じ。ストリッパーとも呼ぶ。

熱交換器

低温流体が高温流体からほとんどが横置きの円筒形、内部に多数の伝熱管が配熱を回収する。

置されている。（数十本から数百本）

プロセス蒸気を水か空気で構造は熱交換器と同じ。

凝縮器

冷却して液化する。
冷却器

冷却水か空気で冷却する。

水冷は熱交換器と同形。空冷はフィン管使用

加熱炉

燃料の燃焼で流体を加熱

箱型の場合は中心部にバーナーがあり、周辺に伝熱管する。

が配置されている。円筒形は縦置き。

ボイラー

燃料の燃焼で蒸気を作る。

低温側流体が蒸気というだけで加熱炉と同じ原理。

回転機

流体の輸送、圧縮ポンプ、圧縮機、タービン、発電機

4

剤の役割を果たす触媒が充填されています。触媒は、一般的に数 mm から 10mm 程度のペレット

３．精製装置を構成する基本設備群に成形された状態で使用します。
製油所には多数の装置（ユニット）があります
3.2 蒸留塔

が、各装置を構成している設備はほぼ共通しています。異なるのは組み合わせと順序、それに温度や圧力などの操作条件です。そこで本節では、表 1

蒸留塔の機能は、沸点の違いを利用して原料にに示す基本的な共通設備について、構造と機能の含まれている低沸点成分と高沸点成分を分離する概略を紹介します。なお、本稿では紹介しません

ことにあります。図 4 に示す概形の右側が蒸留塔が、上流から下流の設備に中間製品・蒸気・冷却水を送る配管、ポンプや送風機、貯蔵タンクも基本的な共通設備です。
3.1 反応器
反応器の機能は、留分や中間製品の構成成分を変えることにあります。原油はプロパンやペンタンなど、分子量が小さくて沸点の低い炭化水素から、分子量が数百にも達する沸点の高い炭化水素

図 4．蒸留塔の概形の混合物です。ガソリン、軽油、灯油、重油などの石油製品も炭化水素の混合物ですが、求められの全体図で、左中央部から原料が送入され、下部る沸点や特性が違います。このため、分子量の大から分離された塔底製品がリボイラーに送られまきい炭化水素を分子量の小さい炭化水素に分解すす。塔底製品の一部はリボイラーで気化させ、塔るとか、含まれている硫黄分を硫化水素に変換す内に戻して上昇蒸気にします。リボイラーは多くるのが反応器の役割です。図 3 に代表的な反応器の場合、スチームを熱源とする熱交換器です。塔を示しますが、通常は円筒形で、内部に反応促進の上部からは分離された登頂製品が蒸気になって排出されるので、コンデンサーで冷却して液化します。コンデンサーは多くの場合、冷却水を冷熱源とする熱交換器です。液化した登頂製品の一部は、塔内に戻して塔内を落下する還流液にします。
塔内では左図のように上昇する蒸気と落下する還流液が接触し、高沸点成分が下段に、低沸点成分が上段に移行します。塔内には多くの段が設置されており、段の上には気液接触をよくするトレイがあります。還流液はダウンカマーを通って下段に落下し、トレイ上を横に移動しながら下段から上昇する蒸気と接触します。

図 3．反応装置の概形

53.3 吸収塔と放散塔
吸収塔は段数が少ないだけで、蒸留塔と同じ構造が多く、上段から落下する吸収液が下段から上昇する蒸気に含まれる特定の成分を吸収します。
蒸留は蒸気圧の違いを利用する分離ですが、吸収

図 5．熱交換器の構造は溶解度の違いを利用する分離です。放散塔も段数の少ない蒸留塔と同じ構造です。名称が違うのは、液体の原料から沸点の低い成分を分離するのが目的だからです。
3.4 熱交換器
熱交換器にはいろいろな形式がありますが、製油所で一般的に使われているは、図 5 に示すような多管式です。円筒形の胴に多数の伝熱管を組み込んだ構造で、胴側と管側に温度の異なる流体を送入し、高温流体を冷却すると同時に低温流体を加熱します。胴側を通る流体は、矢印のように内

図 6．縦型加熱炉部の邪魔板で方向を変えながら流れ、管側の流体は反対側で方向を変えます。胴の直径は 50cm か縦に配列されています。サイズは処理規模により

ら 1.5m 程度で、大型だと 1000 本以上の伝熱管をますが、高さが 5m から 10ｍ、直径は 5m から 8m組み込みます。伝熱管の長さは 3ｍから 6ｍが多い程度が多いです。上部は燃焼ガスの熱で加熱するです。図 5 では伝熱管が胴に固定されていますが、対流部で、下部が火炎の放射熱で加熱する輻射部

高温側と低温側の温度差が大きい場合は、熱膨張です。被加熱流体は上部の対流部で加熱されてかを考慮して伝熱管が胴内で伸縮できる構造を採用

ら、下部の輻射部でもっと高温に加熱されます。

しています。熱交換器でも、高温流体の冷却が目炉底には、ガスか石油を燃料とする数本の燃焼バ的なら冷却器（クーラー）、高温蒸気の凝縮が目的ーナーが設置されていて、火炎が数ｍの高さまでなら凝縮器（コンデンサー）、蒸気で低温流体を蒸吹き上げられます。通常は内部に酸素濃度計を設発させるのが目的なら蒸発器（ボイラー）、蒸留塔置し、燃焼用空気の過不足を監視して適量を保持で塔底製品を蒸発させて塔内に戻す場合はリボイするように制御しています。

ラーと称するのが一般的です。

４．石油精製のプロセス
3.5 加熱炉
第 2 節で製油所の装置群を、第 3 節で装置を構
加熱炉は大型のガス湯沸かし器に似た構造です。
図 6 が多くの製油所で使われている縦型加熱炉の成する基本設備群を示したので、本節では代表例
として常圧蒸留プロセスと、ナフサ・灯油・軽油脱概念図で、円筒形の炉の周囲に数十本の伝熱管が6図 7. 常圧蒸留プロセス

硫プロセスを紹介します。

塔を落下する還流液を作るための冷却器で、相対的に温度が低い原油を冷熱源に使います。冷熱量

4.1 常圧蒸留プロセスが不十分なら、自動車のラジエーターに似た空冷の冷却器も補足的に使用します。主蒸留塔の右側

図 7 に一般的な常圧蒸留プロセスを示します。にあるのは、ストリッパーと称する装置です。重

原油は左下から熱交換器を経て原油脱塩槽に送入

質ナフサ留分、灯油留分、軽油留分、重質軽油留分します。脱塩槽の前後にある熱交換器は、右下のに含まれている沸点の低い成分を、水蒸気と一緒熱交換器と同一ですが、見やすいように分けて書に主蒸留に戻し、塔内を上昇する蒸気にします。

いてあります。原油は熱交換器で製品の重質ナフ

主蒸留塔の右上は LPG 回収装置で、軽質ナフサス

サ留分、灯油留分、軽油留分、重質軽油留分、常圧タビライザーと称する蒸留塔でナフサを分離し、残油から熱を回収して順次加熱されますが、まだ残るプロパンとブタンが LPG になります。

熱量が不足なので加熱炉で約 350℃にまで加熱さ4.2 ナフサ・灯油・軽油脱硫プロセスれます。脱塩槽は原油に混入している海水の液滴を凝集し、分離する装置です。加熱された原油は主精留塔（常圧蒸留塔）で蒸留され、塔頂から LPG

図 8 が一般的なナフサ・灯油・軽油脱硫プロセと軽質ナフサ留分を、数段下のトレイから重質ナスです。原料油は熱交換器で反応生成物の熱を回フサ、さらに数段下のトレイから、灯油留分とい収し、さらに加熱炉で昇温してから反応器に送入うように各留分を抜き出します。

します。反応器の中では、原料油に含まれている硫黄分が供給される水素と反応し、硫化水素にな主蒸留塔の左側にあるサイドリフラックスは、ります。高温高圧分離槽では、未反応の水素と硫
7石油精製では、原油が常 圧 蒸留 装置 で複 数 の成 分 構成 が異 なる 留 分になり、その留分がまた次 の 装置 で成 分構 成 が変わります。このように
原 油 を構 成し てい る 炭化水素は、何度も加熱、反応、冷却、蒸留を経て、求 め られ る石 油製 品 の図 8．ナフサ・灯油・軽油脱硫プロセス

仕 様 を満 たす 炭化 水 素群になります。表 2 は石化水素を含む原料油を分離し、水素は洗浄塔で不油製品の炭素数や沸点範囲です。原油に含まれる純物を除去して反応塔に戻します。硫化水素を含炭化水素は、原油によって異なりますが、概ね炭む原料油は、ストリッパーと称する一種の蒸留塔

素数が 3 のプロパンから炭素数が数百の炭化水素で、硫化水素を含む酸性ガスと脱硫された製品油です。一方、石油製品は原油より狭い沸点範囲のに分離します。酸性ガスには硫化水素だけでなく、二酸化炭素や硫化カルボニルが含まれているので、炭化水素群になり、それぞれ蒸気圧や引火点が異なります。

後続の装置で硫化水素を濃縮し硫黄回収装置に送（おわり）ります。

参考：資源エネルギー庁 資源・燃料部資料

5．石油製品の炭化水素構成

Wikipedia 公開画像

表 2. 石油製品の炭化水素と沸点範囲8