原油蒸留 と 熱分解: 料物の 正しい プロセス を 選ぶ

基本原理：蒸留における物理的分離 vs 熱分解における熱的分解

沸点の違いが原油蒸留効率をどう左右するか

プロセス 原油蒸留 さまざまな炭化水素が異なる温度で沸騰する性質を利用し、分留と呼ばれる手法によってそれらを分離します。ナフサなどの軽質成分は、35度からせいぜい200度程度で蒸発する傾向がありますが、重質成分は温度が約550度を超えた頃でも液体のままです。現在では多くの製油所が真空蒸留装置を50ミリバール未満の圧力下で運転しています。この圧力の低下により、沸点が実際に約300度も低下するため、過剰な熱による成分の損傷を防ぐ効果があります。この方法が非常に効果的な理由は、分離される成分の分子構造を変えずに、純度がほぼ95パーセントに達する初期蒸留物を生み出すことができることにあります。

炭化水素の熱分解におけるラジカル反応と結合切断メカニズム

熱分解プロセスは基本的に、材料を約400〜800度の範囲で加熱することで機能し、これにより炭素-炭素および炭素-水素結合がラジカル連鎖反応を通じて分解されます。このプロセスでは、重質成分が軽質な炭化水素生成物へと変換されます。熱分解が蒸留と異なる点は、分子自体を元に戻せない形で変化させることです。温度が約750度になると、β切断と呼ばれる反応によってエチレンとメタンの生成量がピークに達します。しかし、温度が1000度を超えると別の現象が起こり始め、原料がグラファイト化してしまい、最終的に得られる液体生成物の量が減少します。このプロセスから最大限に有用な生成物を得るためには、適切な温度管理が非常に重要です。

ケーススタディ：精製所規模の蒸留対廃棄物由来化学品製造の熱分解プロセス

2021年に『Journal of Petroleum Exploration and Production』に発表された論文では、1日あたり約25万バレルの原油を処理する伝統的な常圧蒸留装置と、1日あたり500トンのプラスチック廃棄物を処理する新しいモジュール式熱分解システムとの比較が行われました。ガソリン製造において、蒸留方式は印象的な82％のエネルギー効率を達成しました。一方、熱分解方式は58％の効率にとどまりましたが、家庭から出る使用済プラスチックのみを原料とするという利点がありました。興味深いことに、これらの熱分解油は水素処理工程を経た後、FCC装置に15〜20％の割合で混合するのに十分な性能を示しました。これにより、プラントは毎年約12,000立方メートルの新鮮なナフサ使用を削減することが可能となり、リサイクル材を業務に組み入れようとしている製油所にとって大きなコスト削減につながります。

原料の適性：組成と原油蒸留および熱分解への適合性のマッチング

熱処理プロセスにおいて分解性に影響を与える主要特性

蒸留プロセスは、沸点が一貫しており炭素残留物が少ない原油原料を処理する場合に最も効果的に機能します。これにより、ナフサ、ディーゼル燃料、およびさまざまな残留分画などの高価値製品への分離が容易になります。一方、熱分解技術は、分子の分岐度合いおよび水素対炭素比に大きく依存し、分解しやすい材料に対して真価を発揮します。一例としてポリオレフィン系プラスチックでは、2022年のNRELの研究によると、熱分解中にエチレンやプロピレンなどの有用な化学品へと約75〜85％が転換します。これは、一般的に従来の原油資源に多く含まれる直鎖状アルカンよりも優れた結果です。

硫黄、酸素、およびピロリシス油中の残留物に関する課題

廃プラスチックまたはバイオマス由来のピロリシス油は、重量比で0.5～3.2％の酸素と0.1～1.8％の硫黄を含有しており、精製前の高価な水素処理を必要とします。プラスチックに含まれる塩素化添加物は腐食性のHClを発生させるため、特殊な反応器材料やガススクラビングシステムが必要になります。一方、原油蒸留に含まれる硫黄は重質留分に濃縮されるため、下流工程での管理が容易です。

比較分析：石油由来油 vs 廃棄物由来ピロリシス油

従来の石油由来の原料は、蒸留プロセスに最適な非常に一貫性のある組成を持っています。一方、熱分解油は、さまざまな混合廃棄物を有効な炭化水素に変換できるため、新たな可能性を提供します。2024年に行われた最近の研究では流動接触分解（FCC）システムに着目し、製油所が熱分解油を真空ガス油と約10%の比率で混合した場合、コークス生成量が約18%減少することを発見しました。これは収率がほぼ変わらないという前提で考えると非常に注目すべき結果です。ただし、これらの熱分解油にはさまざまな不純物が含まれており、依然として問題があります。製油所は安定した原油原料を処理するために設計されてきましたが、分解プロセス後に残る厄介な残留触媒の影響により、既存の多くの施設において広範な導入が難しい状況となっています。

プロセス性能：収率、効率、インフラとの適合性

軽質オレフィン収率：ナフサ vs スチームクラッカーにおける熱分解油

スチームクラッカーがナフサ原料を使用する場合、通常25〜30％の軽質オレフィンを生成します。これはナフサが安定した組成を持ち、管理された条件下で運転されるためです。しかし、ピロリシス油を使用する場合には状況が難しくなります。水素処理工程を経た後でも、これらの原料からは通常15〜20％の軽質オレフィンしか得られません。その主な理由は、それらの分子構造が大きく変動し、塩化物などの不純物を含んでいることが多いためです。2023年に行われたペトロケミカル・イノベーション・コンソーシアムの最近の報告書にも興味深い結果が示されていました。ナフサと同じ量のエチレンを生産するためには、ピロリシス油では約10〜15％高い温度での熱分解が必要になるのです。この温度差は、多くのプラントにおける運転コストや効率に大きな影響を与えます。

既存の熱分解設備における不純物耐性：技術的および運用上の限界

熱分解油には1～3%の硫黄および酸素化合物が含まれており、蒸留ナフサの<0.5%と比較して著しく高い（NREL、2022）。これらの不純物はコークス化および腐食を促進し、パイロット試験では反応器の寿命が40～60%短縮された。高度な硫黄洗浄装置および二段式急冷装置を改造に導入することで耐性を向上させることができるが、フルスケールのアップグレードには1800万米ドルを超える資本コストがかかる。

熱分解運用におけるエネルギー投入と原料コストのトレードオフ

廃プラスチックを処理する場合、ピロリシス原料のコストは1トンあたり約20〜40ドル程度であり、蒸留ナフサの1トンあたり600〜800ドルという価格と比較すると非常に安価です。ただし、ここには注意点があります。このプロセス自体は生産された1トンあたりのエネルギー消費量が30〜50パーセント多くなるため、原料価格が1トンあたり約55ドル以下に抑えられる場合にのみ経済的に成り立ちます。エネルギー転換研究所のいくつかのモデル化研究によると、バイオオイルをFCC装置に混入することで全体的なエネルギー需要を約22パーセント削減できます。これにより、コスト面での競争力を高めつつ、ほとんどの運用において十分に安定した収率を維持することが可能になります。

持続可能性と循環型経済：現代石油化学におけるピロリシスの役割

熱分解プロセスは、再利用が難しくてリサイクルできなかったプラスチックや古くなったゴム素材を、通常の蒸留方法では処理できない水素炭素化合物のような有用な物質へと再変換できるため、循環型経済の実現に向けて大きく貢献します。この方法によって、プラスチック廃棄物の約85％が回収されており、埋立処分される量が大幅に削減されています。また、このプロセスで得られる油のエネルギー含有量は1キログラムあたり38～45メガジュールと高く、一般的なナフサ製品と同等のレベルです。さらに、新しい触媒技術の進展により、性能がさらに向上しています。赤泥やCo\/SBA-15といった材料は、硫黄分を重量比0.5％未満まで低減する助けとなり、他の化学的リサイクルプロセスとの併用性が高まっています。医療用グレードのプラスチック廃棄物を効率的に転換した実験結果もあり、熱分解プロセスがFCC装置における従来の化石燃料の約20～30％を代替可能であることを示しています。ただし、この技術を導入している精製所はまだ少なく、通常の運用に熱分解油やバイオオイルを組み入れるには、半数未満の工場が高価な設備改良なしでは対応できていません。

化学リサイクルのための持続可能な原料としての熱分解油

熱分解油に含まれる高濃度のリモネンおよびBTX（ベンゼン、トルエン、キシレン）は、新品同様のポリマー製造に適しています。廃タイヤ1トンを処理すると450～600kgの油が得られ、スチレン生産における原油由来原料の30%を置き換えることが可能です。

ポリオレフィンの触媒熱分解：プラスチック廃棄物の高付加価値化の前進

ゼオライト系触媒は500°Cでポリオレフィンの80%を軽質オレフィンに転換し、熱分解と比較して不純物耐性が4倍高いです。これにより前処理コストを1トンあたり40～60ドル削減し、スケーラビリティを向上させます。

FCCユニットにおけるバイオ油と熱分解油の共処理：実現可能性と制約

真空ガス油に10%の熱分解油を混合することでプロピレン収率を12%増加させます。ただし、塩素濃度が50ppmを超えると腐食リスクがあり、安全な統合のために反応装置のアップグレードに200万～400万ドルが必要です。

下流工程への影響：処理方法が最終製品品質に与える影響

温度、圧力および滞留時間が熱分解生成物に与える影響

熱分解における生成物の分布は、通常450〜800度の範囲の温度、大気圧から中程度の真空状態までの圧力条件、および材料が反応装置内に滞留する時間（通常は0.5秒から30秒の間）という3つの主な要因に大きく依存しています。温度を高くするとガス生成量が増加し、特にエチレンおよびプロピレンの収率が15〜20％程度まで高まります。液体の油の出を最大限にしたい場合には、500〜650度程度の温度が最も効果的です。処理速度を速めることで、ワックスなどの重質成分が分解されることを防ぎ、維持することができます。しかし、長時間反応装置内に放置すると、複雑な分子構造はさらに分解され、より小さな不安定な成分となってしまい、商業的に利用価値が低くなります。

最適化された油およびワックス生産のための触媒共熱分解

ZSM-5ゼオライトやアルミナ・シリケートなどの触媒は選択性を15～40%向上させ、分解反応を目的生成物の方向に誘導します。酸性触媒は軽質オレフィン収率を高め（エチレン選択性65～80%）、バイオマス原料中の酸素含有化合物の生成を抑制します。プラスチックとバイオマスを共熱分解することでワックスの粘度を30%低下させ、既存の製油インフラとの適合性を向上させます。

水素処理した熱分解油と分留原油の比較：安定性、純度、適合性

水処理プロセスでは、熱分解油に含まれる酸素と硫黄の約90〜95％が除去され、常にある程度は安定化され、蒸留原油分画に近い状態になります。しかし、ここには落とし穴があります。処理後でも、これらの油は通常の新規ナフサと比較して、芳香族化合物を2倍、場合によっては3倍も含んでおり、追加の処理を施さない限り、ポリオレフィン製造などへの直接利用は難しいのです。蒸留原油は既存のインフラと比較的よく適合しますが、一方で、改良された熱分解油はまったく異なる特徴を持っています。その分子はより多様であり、炭素繊維の前駆体の製造など、特定のニッチな用途への応用が可能になります。こうした柔軟性により、取り扱いには課題があるものの、熱分解油依然として注目されています。

よくある質問

蒸留と熱分解の主な違いは何ですか？

蒸留は、沸点の違いを利用して炭化水素を分離する物理的分離プロセスであり、分子構造を変化させることはありません。一方、熱分解は、ラジカル連鎖反応を通じて分子構造を永久的に変化させる熱分解を含みます。

なぜ熱分解がより持続可能とされるのでしょうか？

熱分解は、再利用できないプラスチックや廃棄物を再利用可能な炭化水素に変換することで、埋立処分される廃棄物を削減し、循環型経済の原則を支援することにより、持続可能性に貢献します。

熱分解油を蒸留システムで使用する上での課題は何ですか？

熱分解油には、高濃度の硫黄や塩化物などの変動する不純物が含まれており、安定性が低いため、既存の蒸留システムを改造してこれらの不純物を効果的に処理する必要があります。