【コラム】石油化学および精製産業におけるNIR分光法:QCおよび製品スクリーニングのためのASTM準拠ツール―第2部
2021/10/04
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ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料の違い
ガソリンは、原油および他の石油系液体から作られる燃料であり、一般的に炭素数4~12を含み、沸点は最大120℃を示します。ガソリンは主に車両用燃料として使用されます。石油精製所およびブレンディング施設は、ガソリンスタンド(またはペトロールステーション)での販売用に自動車用ガソリンを製造します。石油精製所が製造するガソリンのほとんどは未完成ガソリンです。この未完成製品は、オクタン価や揮発性などのパラメータを制御するために他の液体とのブレンディングを必要とし、これにより、火花点火機関に適した燃料の基本要件を満たすガソリンとなります。
ディーゼル燃料は、石油精製所において原油から精製されます。「ディーゼル」は、ドイツの技術者ルドルフ・ディーゼル(1858~1913年)によって発明された圧縮点火機関を使用する自動車用に販売される石油蒸留燃料油の一般的な呼称です。彼は1892年に自身の原型設計の特許を取得しました。ルドルフ・ディーゼルが当初、彼のエンジン用に検討していた燃料の一つは植物種子油であり、この着想は最終的に今日のバイオディーゼル製造プロセスに貢献しました。
2006年以前、ほとんどのディーゼル燃料は多量の硫黄を含んでいました。ディーゼル燃料の燃焼による硫黄排出は、人間の健康に非常に有害な大気汚染を引き起こします。したがって、米国環境保護庁は、ディーゼル燃料の硫黄含有量を15 mg/Lまで低減する要件を発行しました。ディーゼル燃料は炭素数8~21(ただし主に16~20)の成分を含み、200℃~350℃の間で沸騰する留分です。
ジェット燃料(または航空燃料)は、航空機で使用される基本的な製品の一つです。ジェット燃料は炭素数10~16(ただし6~16の範囲もあり得る)の精製石油製品で構成されており、150℃~275℃の間で沸騰します。この種の燃料は、国内および国際機関によって厳しく規制されています。ジェット燃料には主に2つの種類があります:Jet AとJet Bです。この2つの主な違いは氷点です。Jet Bは通常、軍事作戦および悪天候の地域で使用されます。Jet Aは主に民間航空機の燃料として使用されます。
近赤外分光法―ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料の品質評価のためのASTM準拠ツール
近赤外分光法(NIRS)は、30年以上にわたり、石油化学産業における迅速かつ信頼性の高い品質管理の確立された方法です。しかしながら、多くの企業は依然として、自社のQA/QC実験室におけるNIRSの導入を一貫して検討していません。その理由は、応用可能性に関する経験の不足、または新しい方法の導入に対する一般的な躊躇のいずれかである可能性があります。
NIRSを他の従来型分析技術と比較して使用することには、いくつかの利点があります。第一に、NIRSはサンプル前処理なしで、わずか30秒で複数のパラメータを測定することができます!物理的および化学的なサンプル特性の両方の影響を受ける、NIRSが使用する非侵襲的な光と物質の相互作用は、両方のタイプの特性を決定するための優れた方法となっています。
本記事の残りの部分では、ASTM E1655(method development;方法開発)、ASTM D6122(method validation;方法バリデーション)、およびASTM D8340(results validation;結果バリデーション)のNIRS導入ガイドラインに従って開発された、ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料向けの利用可能なターンキーソリューションについて概説します。その後、CFRエンジンの代替としてNIRSを使用することの投資利益率(ROI)についての考察が続きます。
NIRSを二次的技術として使用することについて詳しく知るには、これまでのブログ記事をお読みください。
NIRSは燃料の品質管理を迅速化・簡素化する
高品質な燃料(例:ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料)がなければ、私たちの日常生活は大きく異なるものになるでしょう。製造プロセスの終了時、および流通チェーンのさまざまな段階において、製品の品質を決定する必要があります。通常、RON/MON(リサーチオクタン価およびモーターオクタン価)、セタン指数、および引火点などの主要な品質パラメータは、実験室において化学的および物理的方法によって決定されます。これらの方法は、高い運用コストがかかるだけでなく、非常に時間がかかります。
一方、NIRSは薬品もサンプル前処理も必要としません。この技術は、非専門家(化学の学位不要)によっても使用することができ、1分未満で結果を提供します。さらに、複数の化学的および物理的パラメータを同時に決定することができます。この技術の複合的な利点により、NIRSは多くの日常的なQA/QC測定またはアドホックなアトライン分析にとって理想的なソリューションとなっています。
メトロームは、燃料の品質管理およびルーチン分析用にNIRS DS2500 Petro Analyzerを提供しており、ASTM D6122に準拠しています。この装置は、ほこり、湿気、振動に耐性があり、実験室での使用だけでなく、製造現場での直接使用にも適しています。
詳細は以下のリンクをご覧ください。
ターンキーソリューション:ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料向けの利用可能な事前校正
表1に、これらの異なる燃料向けの事前校正で対象となるすべての成分を示します。表内の燃料の種類をクリックすると、Metrohmが提供する各事前校正について詳しく知ることができます。
表1.ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料における各種主要品質パラメータ向けの利用可能な事前校正。
| 燃料タイプ | パラメータ | 範囲 | SECV | R² |
|---|---|---|---|---|
| ガソリン | RON | 81–100 | 0.68 | 0.958 |
| MON | 81–88 | 0.53 | 0.889 | |
| アンチノック指数 | 85–94 | 0.45 | 0.948 | |
| 芳香族分 | 20–45% | 0.011 | 0.959 | |
| ベンゼン | 0.15–0.70 % | 0.0004 | 0.902 | |
| 密度 | 0.74–0.76 g/cm3 | 0.0024 g/cm3 | 0.797 | |
| オレフィン | 0–25 % | 0.013 | 0.909 | |
| 酸素 | 0.2–2.0 % | 0.00045 | 0.994 | |
| ディーゼル | セタン指数 | 46–77 | 0.62 | 0.987 |
| セタン価 | 45–60 | 0.942 | 0.942 | |
| 密度 | 0.82–0.89 g/cm3 | 0.0021 g/cm3 | 0.968 | |
| CFPP | -22–(+19) °C | 2.8 °C | 0.963 | |
| T95 | 325–410 °C | 7.04 °C | 0.799 | |
| 引火点 | 56–120 °C | 2.7 °C | 0.97 | |
| 粘度 | 2–5.5 cSt | 0.15 | 0.91 | |
| 灯油/ジェット燃料 | セタン指数 | 36–50 | 1.1 | 0.871 |
| API比重 | 38–48 ° | 0.56 ° | 0.931 | |
| 芳香族分 | 10–25 % | 0.01 | 0.851 | |
| T10 | 158–200 °C | 4.1 °C | 0.801 | |
| T20 | 165–205 °C | 3.1 °C | 0.88 | |
| T50 | 180–220 °C | 4.1 °C | 0.789 | |
| 密度 | 0.78–0.83 g/cm3 | 0.003 g/cm3 | 0.936 | |
| 引火点 | 38–65 °C | 4.3 °C | 0.62 | |
| 凝固点 | -65–(-40) °C | 3.5 °C | 0.576 | |
| 水素 | 13.2–14.2 % | 0.0005 | 0.934 | |
| 飽和分 | 75–90 % | 0.009 | 0.888 | |
| 20 °Cにおける粘度 | 3–7 cSt | 0.33 cSt | 0.804 |
Metrohm NIRS DS2500 Analyzerによる石油化学分析の可能性について、無料パンフレットで詳しくご覧いただけます。
応用例:NIRS DS2500 Petro Analyzerによるディーゼルの品質管理
セタン指数(ASTM D613)、引火点(ASTM D56)、目詰まり点(CFPP)(ASTM D6371)、D95(ISO 3405)、および40℃における粘度(ISO 3104)は、ディーゼルの品質を決定するための主要なパラメータの一部です。これらのパラメータに関する主要な試験方法は、複数の分析方法を必要とするため、労力を要し、困難です。
このターンキーソリューションでは、ディーゼルサンプルはNIRS DS2500 Petro Analyzerを用いて、全波長範囲(400~2500 nm)にわたり透過モードで測定されました。安定したサンプル環境を提供するため、内蔵の温度制御サンプルチャンバーは40℃に設定されました。利便性の観点から、光路長8 mmの使い捨てバイアルが使用され(図1)、これにより洗浄手順が不要となりました。
得られた可視-NIRスペクトル(図1)は、ディーゼルの主要パラメータを決定するための予測モデルの作成に使用されました。予測モデルの品質は、可視-NIR予測値と一次法の値との相関を示す相関図を用いて評価されました。それぞれの性能指標(FOM)は、ルーチン分析における予測の期待精度を示します(図2)。
本ソリューションは、NIRSがディーゼル燃料中の複数のパラメータの分析に非常に適しており、サンプル前処理や化学試薬を必要とせず、1分未満で結果を提供することを実証しています。
詳しく知りたいですか？アプリケーションノートをダウンロードしてください。
投資利益率:CFRエンジン対NIRS
ガソリンは、商品化される前に一定の仕様を満たす必要がある複数の品質パラメータについて、集中的な検査を必要とします。NIRS分析によっても制御可能なこれらのパラメータには、RON/MONとして知られるリサーチオクタン価(ASTM D2699)およびモーターオクタン価(ASTM D2700)が含まれます。
これらの値を精密に測定することの重要性は、規制への準拠のためだけでなく、製造業者にとってのコスト削減のさらなる可能性のためでもあります。一例として、規定要件を超えるRON値は市場でも依然として受け入れられますが、そのような製品には、より多くの収益性の高い長鎖有機分子が含まれることになります。この、いわゆる「RONギブアウェイ」は1バレルあたり約0.5 RONと見積もられており、1日あたり10万バレルの製造プロセスにおいて、月間225万米ドルの収益損失をもたらします。
組み合わせ協同燃料研究(CFR)オクタン価測定エンジン(モデルF1/F2)は、ガソリンおよび燃料ブレンド成分のオクタン品質を決定するために使用されます。この装置は、ASTM D2699およびD2700によって認定・承認されています。このエンジンには、重デューティクランクケース、可変圧縮シリンダー、燃料空気比調整可能なキャブレター、およびノッキング測定装置が備わっています(図3)。
すぐに使用可能なNIRSシステムも、さまざまな範囲とそれぞれの精度をカバーするガソリンの複数の品質パラメータを監視するために利用可能です(表1)。さらに、NIRSアナライザーのメーカーは通常、これらの範囲を拡大したり精度を向上させたりするためのアプリケーションサポートを提供しています。
CFRエンジンとMetrohm NIRS DS2500 Petro AnalyzerによるRONおよびMON分析の推定コストの概要を表2に示します。一次分析方法(CFRエンジン)のわずか50%がNIRSに置き換えられると仮定した場合でも、完全な投資回収は2年以内に達成されます。この計算は、年間2000回の分析(RON 1000回+MON 1000回)に基づいており、分析あたりの総運用コスト(薬品、メンテナンス、人件費)は約32.50米ドルです。
表2. CFRエンジンとDS2500 Petro Analyzerの所有コスト
1装置が以前に購入されていたという前提であり、そのためこのコストはROI計算に含まれていません。
| RON + MONの年間分析数 | 2000 | 2000 |
| オペレーターの時間当たりコスト | $25.00 | $25.00 |
| 分析装置のコスト | CFR Engine | NIRS DS2500 Petro Analyzer |
| 分析装置 | $500,000.00 | $55,000.00 |
| 初期コスト合計 | $0.001 | $55,000.00 |
| 運用コスト 消耗品 / 薬品 / 保守 | ||
| 年間薬品コスト（ASTM D2699/D2700） | $20,000.00 | $0.00 |
| 年間保守コスト | $20,000.00 | $1,500.00 |
| 分析あたりの薬品および保守コスト | $20.00 | $0.75 |
| 年間運用コスト合計 | $40,000.00 | $1,500.00 |
| 分析あたりの所要時間 | 30 minutes | < 1 minute |
| RONの1000分析の人件費（ASTM D2699） | $12,500.00 | $416.50 |
| MONの1000分析の人件費（ASTM D2700） | $12,500.00 | $416.50 |
| 分析あたりの人件費 | $12.50 | $0.42 |
| 年間人件費合計 | $25,000.00 | $833.00 |
| 年間運用コスト合計 | $65,000.00 | $2,333.00 |
ガソリン中のRON/MONおよび他のパラメータの分析について詳しくは、以下の無料アプリケーションノートをご覧ください。
ガソリンの品質管理―NIRSによるRON、MON、AKI、芳香族含有量、および密度の迅速な決定
ASTM D2699およびASTM D2700に準拠したNIRSによる接触改質中のオクタン価のオンラインプロセスモニタリング
本例では、RON/MON分析を用いて、一次分析法を補完するためにNIRSを使用する際のコスト削減および投資利益率(ROI)が示されました。
しかしながら、表1に示されたような他の主要品質パラメータを考慮する範囲にこれを拡大した場合、そのような投資に対する経済的なインセンティブはさらに説得力のあるものとなります。
まとめ
近赤外分光法は、ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料における主要品質パラメータの分析に非常に適しています。利用可能な事前校正は、ASTMガイドラインに準拠して開発・バリデーションされています。代替技術としてNIRSを使用することの利点は、結果までの時間が短いこと(1分未満)、薬品やその他の高価な装置が不要であること、そしてシフト勤務者や非化学者でも安全にこれらの分析を実施できるほどの扱いやすさです。
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