ブタンはどのように作られるか：ブタンの起源と製造方法

ブタンとは何か、どこから来るのか？ブタンの特性と出所を知る

ブタンは、さまざまな産業や家庭で幅広く利用されている興味深い炭化水素である。炭素原子4個と水素原子10個からなるアルカンであり、化学式C₄H₁₀.ブタンには、n-ブタンとイソブタンという2つの構造形態があり、これらは構造的には異なるが化学的には類似している。

この炭化水素は通常、圧力下では液体状態だが、室温では気体になる。ブタンは通常、天然ガスや石油から製造され、様々な炭化水素を含むことが知られている。ブタンは原油に含まれるガスのひとつで、石油精製過程で分離され、石油ガスや、プロパン、メタンなどのエネルギー関連製品が得られる。

ブタンはその特性から多くの用途がある。クリーンで効率的に燃焼できるため、エネルギー源として、冷媒として、推進剤として、化学製品の原料として、重要な工業製品となっている。しかし、ブタンには引火性があり、燃焼が不十分だと一酸化炭素やその他の危険な物質を発生させるという欠点がある。

抽出プロセス：天然ガスからブタンを分離する方法

ブタンは主に、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの軽質炭化水素の組み合わせである天然ガスから抽出される。そのプロセスは、地下の貯留層から天然ガスを抽出することから始まる。この原料ガスは炭化水素で構成されているだけでなく、水蒸気、硫黄化合物、その他の好ましくない成分などの他の成分も含んでいる。次の工程で使用する前に、これらの不純物を取り除き、ガスを非常に低い温度まで冷却する。この温度では、ブタンのような重い炭化水素は液体になり、抽出しやすくなる。

次のステップは低温分離で、ガスを低温分離カラムに通す。このカラムでは、成分が沸点によって分けられる。メタンやプロパンよりも沸点の高いブタンは、カラムの低いところで凝縮し、回収される。分離後、ブタンは吸収や蒸留といった他の工程を経て、業界基準を満たすように精製される。

その後、最終製品は、通常のブタンやイソブタンなど、必要な形態に分留される。分離の有効性と品質を保証するために、ハイテク監視システムが随所に採用されている。この精巧なプロセスにより、様々な産業や商業活動に使用できるブタンが得られる。

精製と精製：粗ブタンが工業用に加工されるまで

粗製ブタンを工業用途の高純度ブタンに加工するのは、精密さ、高度な技術、慎重な分離技術を必要とする多段階プロセスである。このプロセスの各段階は、原料を石油化学、冷凍、燃料産業での使用に適した精製製品に変える上で重要な役割を担っている。ここでは、この変換がどのように行われるかを詳しく見てみよう：

ステップ1：最初のクリーニングと差別化

粗ブタンの分離工程では、まず、水、硫黄、重質炭化水素などの液体状の不純物を除去する精製工程がある。このような不純物は、下流にある装置を劣化させ、プロセス内の触媒に影響を与え、最終製品の品質を低下させる可能性がある。通常、基本的な技術として、硫化水素（H₂S）のような腐食性物質、微粒子、後工程で使用される触媒に悪影響を与える可溶性不純物を除去する水スクラビングや脱硫装置が使用される。

これらの工程で重要なのは乾燥であり、工業用途では原料中の水分を0.1％以下にする必要がある。モレキュラーシーブス、特に4Aおよび5Aタイプは、この目的に最も適した乾燥剤です。その均一な細孔構造は、炭化水素に影響を与えることなく水を選択的に吸着し、プロセスを正確で安定したものにします。他の乾燥剤、例えばシリカゲルや活性アルミナと比べて、モレキュラーシーブは微小レベルの水分にもカスタムフィットでき、高温でも劣化することなく最適に機能するため、メンテナンスにかかる費用を削減することができます。

粗ブタンはまた、プロパンやペンタンなどの他の天然ガス液（NGL）から取り除くために、分別蒸留にかけられる。それぞれのNGLは工業プロセスで使用されるため、この区別は汚染を避けるために必要である。分留カラムは、n-ブタンとイソブタンの流れを分離してさらに処理するために、十分に規制された条件下で作動します。

ステップ2：異性化-n-ブタンをイソブタンに変える

粗ブタンが洗浄・分離された後、次の主要工程は異性化である。この工程で、通常のブタン（n-ブタン）は、より分岐した異性体であるイソブタンに変換され、工業的利用価値が高まる。イソブタンは、高オクタン価ガソリンを製造するためのアルキル化工程で最も好まれる原料の一つである。

異性化プロセスは、白金や塩素化アルミナなどの触媒を含む反応器に、100～250℃の温度と中程度の圧力でn-ブタンを通すことで行われる。HZSM-5のような酸性モレキュラーシーブも異性化触媒として使用できる。触媒はn-ブタンの分子配置を変えるが、組成は変えない。この転化率は、プロセス条件によって85～95%の範囲になる傾向がある。

生成されたn-ブタンとイソブタンのブレンドは分離セクションに供給され、そこでイソブタンが蒸留により分離される。未変換のn-ブタンは反応器に戻され、効率を高め、生成物の損失を最小限に抑える。

ステップ3：接触分解 - 高級炭化水素からブタンを製造する

しかし、すべてのブタンが原料から得られるわけではない。ナフサや軽油を含む重質炭化水素からブタンを得るために、接触分解が使用されることもある。これは、原料ブタンの供給が不足している場合や、原料を最適に利用することを目的とする場合に特に有効である。ブタン、プロパン、エチレンを生産する接触分解の主な利点は、大きな炭化水素分子から価値ある物質を生成することである。

高温（500～550℃）・高圧で行われ、炭素-炭素結合の開裂を促進するゼオライト系触媒を使用する。ゼオライト触媒が好まれるのは、その効果と耐久性のためである。ゼオライト触媒は、このプロセスに必要な高い選択性とともに、高い回収率と生産性を生み出し、維持することができる。

分解が終わると、粗製品ミックスは蒸留塔を通り、そこでブタンが他の留分から分離される。この段階で、空気乾燥またはオーブン乾燥によって水分を除去することが重要である。この目的には、モレキュラーシーブ、特に5Aと13Xタイプが、高い水分吸着選択性と厳しい条件下での熱安定性から好まれる。

活性アルミナも二次乾燥剤として使用でき、酸性不純物の処理に有効だが、モレキュラーシーブの方がより効果的で選択性が高い。効率的な分解と効果的な乾燥の統合により、直接の供給源が乏しい場合でも、産業需要を満たす高純度ブタンの安定供給が保証される。

ステップ4：水素化処理

次いで、水素化処理工程が、製品の品質を向上させ、残存する不純物に対処するために、豊富なブタンストリームを処理するために使用される。このプロセスでは、ニッケルモリブデンやコバルトモリブデンのような触媒を加え、300～400℃の温度と2000psi以上の圧力で、水素とブタンを混合する。

水素化処理の主な目的は、残留レベルのオレフィン物質、硫黄、窒素、酸素含有化合物を除去することである。従って、たとえ0.01%より少量であっても、オレフィンの変動はブタンの貯蔵・使用時の安定性に影響を与える。ハイドロプロセスでは、これらのレベルを検出できないレベルまで下げ、製品に要求される工業規格を満たすことができます。

さらに、この工程はブタンの化学的安定性を向上させ、長距離の貯蔵や輸送を可能にする。ハイドロプロセスは、反応性不純物を排除するため、最終製品の品質を決定する上で重要な分解や重合のリスクを低減する。

ステップ5：分離と精製

粗ブタン精製の最終段階では、商業用途の99.5%から、医薬品やエアゾール用支柱などより特殊な用途の99.9%以下まで、特定の用途に必要なブタン純度を達成するために必要な処理を行う。この段階で、ますます高くなる品質と性能の要求を満たすために、少量の水、二酸化炭素、一部の炭化水素を分離しなければならない。

ブタンとプロパン・エタンやより重質な炭化水素との分離には、低温蒸留のようなより複雑なプロセスが用いられる。これらのシステムは非常に高い真空度で運転され、通常、ブタンを凝縮させるために使用される温度範囲は-100℃と低い。例えば、極低温カラムはプロパン濃度を50ppm以下にまで下げることができ、これは高純度レベルを必要とする多くの用途にとって重要である。

この段階では、モレキュラーシーブ、特に5Aおよび13Xタイプが、水や二酸化炭素のような軽微な汚染物質の除去に不可欠である。その均質な孔径分布により、選択的吸着が可能となり、その間にブタンは安全に封じ込められ、汚染されることはない。モレキュラーシーブは他の吸着剤よりも好まれる。例えば、水のような物質を吸着するための低い選択性を有する活性炭溶液。活性炭は悪臭防止や炭化水素除去に使用されることもあるが、熱安定性や吸着能力が低いため、超高純度には使用されない。

低温蒸留とモレキュラーシーブ技術の統合により、高品質のブタンだけが生産される。ガスクロマトグラフィー分析などによる高い品質チェックとバランスにより、製造された最終製品が工業規格や規制基準に適合していることを保証し、流通に適した状態でパッケージングされる。

粗製ブタンを高純度の製品に精製するには一連の工程が必要であり、それぞれの工程は特定の種類の不純物を除去したり、ブタンの化学的特性を変更したりするように設計されている。洗浄から始まり、異性化、接触分解、低温蒸留などのより複雑な工程を経て、精製業者はブタンが今日の世界で使用できるものであることを確認する。この工程で最も重要なステップのひとつが乾燥であり、モレキュラーシーブはその有効性、耐摩耗性、リーズナブルな価格から、現在でもこの問題に対する最良のソリューションとなっている。水や二酸化炭素のような微量汚染物質を継続的に除去するこの能力は、石油化学およびエネルギー産業において、信頼できる高純度のブタンを製造する上で、モレキュラーシーブの役割を確固たるものにしています。

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ブタンの重要性を理解する産業界における主な用途

ブタンは汎用性が高く、産業での使用効率が高いため、多くの産業で使用されている。ブタンは、暖房用、調理用、自動車用のクリーン燃料として使用されるLPGの主成分である。燃焼による有毒物質の排出が他の化石燃料より少ないため、環境に優しいエネルギー源である。

工業分野では、ブタンは合成ゴムの製造に使われるブタジエンの原料として使用される。また、食品や医薬品、化粧品などに使用されるプロピレングリコールの製造にも使用される。また、ブタンとイソブタンは、従来の冷媒の環境に優しい代替品として、現代の冷凍システムに広く使用されている。

ブタンはまた、パーソナルケアやクリーニング製品に使用されるエアゾールスプレーの推進剤として使用される消費者製品にも応用されている。ブタンは圧縮しやすく、加圧下で液体から気体に変化することができるため、非常に汎用性が高く、日常生活や産業における多くの用途に不可欠である。

ブタン製造における環境と安全への配慮

環境面では、ブタンの抽出と精製はエネルギー部門に属し、排出の一因となっている。ブタンは主に天然ガスと原油から抽出されるため、その製造は天然かつ希少な資源に依存しており、排出量と資源消費量を適正レベルに抑える努力が重要である。

こうした課題を克服するため、今日の製油所や加工業者は精製工場に高度な技術を導入し、非常に厳格な安全対策に従っている。その対策とは、廃ガスを効果的に回収する吸収装置の強化や、漏洩や爆発を強力に阻止する設備の強化などである。また、ブタンが輸送や現地供給で乱用されることのないよう、保管・輸送対策も改善されている。

ブタン製造の知識を知ることは、業界の進歩がいかに環境保全と密接に結びついているかを示す好例である。新しい研究と持続可能な努力は、エネルギーと生産におけるブタンの必要性を維持しながら、業界が提供する害を減らすのに役立つだろう。