가솔린, 디젤, 심지어 LPG(LiquidPetroleum Gas) 등 현대 자동차에 사용되는 연료는 자동차 엔진이 원활하게 작동하려면 높은 순도 기준을 충족해야 합니다.
원유에서 연료 추출
현대 연료는 열악한 조건에서도 빠르게 점화할 수 있을 만큼 충분히 휘발성이 있어야 하며 내연 기관에서 유용한 동력을 개발할 수 있을 만큼 충분히 고르게 연소되도록 올바른 탄화수소 혼합물을 가져야 합니다. 연료는 또한 핑킹을 방지하기 위해 올바른 옥탄가 값을 가져야 합니다. (너무 일찍 폭발) 엔진 손상을 일으킬 수 있습니다.
내연 기관은 특정 등급의 연료로 작동하도록 맞춤화되고 해당 연료가 지원할 수 있는 한계에 매우 가깝게 작동하도록 조정되므로 현대 연료에서는 일관된 품질이 중요합니다.
휘발유와 디젤 모두 원유에서 파생됩니다. 원유는 수백 가지의 다양한 탄화수소와 정제 과정에서 제거해야 하는 기타 제품의 복합 혼합물입니다. 원유는 소스마다 다릅니다. 일반적으로 가벼운 휘발성 액체, 휘발유, 역청과 같이 훨씬 무겁고 거의 고체에 가까운 성분을 포함합니다.
원유에서 휘발유와 경유를 분리하고 정제하려면 정유 공장에서 수행되는 복잡한 공정이 필요합니다.
오일은 분별증류(fractionaldistillation)라고 하는 과정을 통해 구성 성분으로 정제됩니다. 이것은 서로 다른 온도에서 끓고 증발한다는 사실을 이용하여 원유의 다양한 구성요소를 분리합니다.
첫 번째 공정은 최대 250피트(75m) 높이의 원통형 타워인 분류 컬럼에서 수행되며, 내부에는 분류 트레이라고 하는 30~40개의 트레이가 쌓여 있습니다. 칼럼의 바닥은 매우 뜨겁게 유지되지만 칼럼 위로 올라갈수록 온도가 떨어지므로 각 트레이는 아래에 있는 트레이보다 약간 차갑습니다.
원유는 가장 무거운 성분을 제외한 모든 성분이 기화되도록 315°C에서 370°C 사이로 예열됩니다. 그런 다음 기체와 액체의 혼합물로 분별 컬럼의 바닥 쪽으로 공급됩니다. 오일 증기는 이미 있는 액체와 완전히 혼합되도록 하는 분별 트레이의 버블 캡과 같은 장치를 통해 컬럼 위로 올라갑니다. 더 무겁고 액체 상태인 오일은 컬럼 바닥으로 내려갑니다.
증기가 상승함에 따라 트레이의 하강 온도에 따라 냉각됩니다. 증기가 증기의 구성 요소 중 하나의 끓는점에 해당하는 온도의 액체가 들어 있는 트레이를 통과하여 기포가 발생하면 해당 구성 요소가 트레이에 응축됩니다. 다른 더 높은 끓는점 증기는 컬럼 위로 계속 이동합니다.
이러한 방식으로 증기의 각 구성 요소는 그것이 응축되는 트레이와 만납니다. 그 결과 파이프를 통해 기둥에서 끌어낼 수 있는 분수라고 하는 일련의 분리된 구성 요소가 생성됩니다.
여섯 가지 주요 분수가 있습니다. 가장 가벼운 것이 컬럼의 꼭대기에 도달했을 때 여전히 가스 상태인 것을 정제 가스라고 하며 정제소 자체에서 연료로 사용됩니다.
나머지는 추가 공장에서 추가 처리됩니다. 가장 가벼운 액체 분획은 휘발성이 강하고 휘발유에 혼합하는 데 사용됩니다.
그런 다음 나프타(석유에 혼합하기 위해 구두로 석유화학제품으로 추가 처리하는 데 사용됨), 등유(기본적으로 파라핀), 산업 윤활에 사용되는 디젤유 및 경질 및 중유, 그리고 가장 무거운 부분인 역청(잔류물로 남아 있음)이 나옵니다.
기본적인 분별 증류 공정은 원유를 순수 화학 탄화수소로 나눕니다. 그러나 이러한 탄화수소 중 일부는 다른 것보다 더 가치가 있습니다. 특히 휘발유에 대한 수요는 역청, 즉 디젤보다 훨씬 더 많습니다. 따라서 더 무거운 부분의 일부는 정유 공장에서 휘발유로 전환됩니다. 이것은 크래킹이라는 프로세스에 의해 수행됩니다.
열분해는 공정에서 열을 사용하고 접촉 분해는 비화학 촉매를 사용합니다.
열분해에서 탄화수소는 450°C에서 540°C 사이의 고압으로 가열됩니다. 그 결과 자동차 엔진에 사용하기에 충분한 품질의 휘발유를 생산하기 위해 더 높은 온도와 압력에서 다시 정제되는 저급 연료가 생성됩니다.
촉매 분해는 유용한 제품의 더 높은 수율을 제공하기 때문에 열 분해보다 더 유용합니다. 예열 단계에서 오일에 촉매(일반적으로 알루미늄-실리카 분말)를 추가하면 중분획을 더 가벼운 것의 혼합물로 부수고 분리 컬럼으로 공급하여 분리할 수 있습니다.
이 가벼운 부분은 탄화수소의 올바른 혼합물을 생성하기 위해 변환 과정이라고 하는 추가 과정을 거칩니다.
이러한 전환 후에는 겨울 또는 여름 사용에 적합한 혼합 휘발유를 만들기 위해 적절한 첨가제가 도입되는 처리 단계가 이어집니다.
내연 기관을 작동하는 데 유용하려면 휘발유가 특정 속성을 가져야 합니다. 그것은 폭발 없이 넓은 범위의 속도와 출력에 걸쳐 엔진에서 매끄럽게 연소되어야 합니다. 이는 '노크'로 나타나며 지속되면 심각한 엔진 손상을 초래할 수 있습니다.
휘발유에는 추운 날씨에 엔진을 쉽게 시동할 수 있도록 쉽게 휘발성이 있는 성분이 있어야 합니다. 그러나 휘발유는 너무 쉽게 증발하여 연료 시스템을 잠그거나 기화기 결빙을 유발할 정도로 휘발성이 있어서는 안 됩니다(오른쪽 사이드라인 참조).
휘발유의 성능은 주로 옥탄가로 측정됩니다. 이를 해결하기 위해 휘발유를 성능이 알려진 두 가지 표준 연료인 n-헵탄 및 이소옥탄과 비교합니다. 둘 다 탄화수소입니다. N-헵탄은 내연기관에 좋지 않은 연료이며 심한 노킹을 유발합니다. 그것은 옥탄가가 0입니다. 이소옥탄은 반대의 매우 고품질 연료이며 옥탄가가 100입니다.
휘발유의 옥탄가가 90인 경우 이는 이소옥탄 90부 대 헵탄 10부의 혼합물과 동등한 성능을 제공한다는 것을 의미합니다. 대부분의 자동차 엔진에는 옥탄가 90에서 100 사이의 휘발유가 필요합니다.
추가적인 노크 방지 조치로서 소량의 테트라에틸 또는 테트라메틸 납을 휘발유에 첨가하는 것이 여전히 일반적인 관행입니다. 그러나 이것은 납의 유독성 때문에 지속적으로 축소되고 있습니다.
휘발유에 허용되는 납의 최대량은 1986년에 리터당 0.4에서 0.15그램으로 낮아졌고 무연 휘발유가 유럽 시장에 등장하기 시작했습니다. 납화합물이 첨가되지 않은 휘발유입니다.
디젤 연료는 휘발유보다 점성이 높고 무거우며 휘발성이 낮으며 분류 컬럼에서 더 낮은 수준으로 나옵니다.
디젤 연료는 휘발유와 같은 옥탄가로 등급이 매겨지지 않습니다. 대신 세탄 등급이 부여됩니다. 이것은 디젤을 세탄 및 알파-메틸나프탈렌이라는 두 가지 다른 탄화수소와 비교하여 파생됩니다.
도로 주행 차량에 사용되는 고품질 디젤 연료는 세탄가가 약 50인 반면, 대형 선박에 사용되는 것과 같은 저속 엔진은 낮은 세탄가로 연료를 사용할 수 있습니다. 세탄가가 높을수록 시동이 용이하고 연소가 원활하며 '디젤노크' 수준이 낮아집니다.
고정식 또는 비포장 도로 작업에 사용되는 일부 저급 디젤(가스유라고 함)은 식별을 위해 염색되므로 적색 디젤이라고 합니다. 도로세를 납부한 흰색 경유만 도로에서 합법적으로 사용할 수 있습니다.
휘발유와 같은 디젤 연료에는 일반적으로 중요한 첨가제가 있습니다. 추운 날씨에 사용되는 디젤 연료는 연료 라인과 인젝터의 막힘을 방지하기 위해 부동액 및 왁스 방지제를 첨가해야 합니다.
정유 공장에서 나온 휘발유와 경유는 특별히 설계된 탱커를 타고 도로나 철도를 통해 차고 및 주유소로 운송됩니다.
연료는 일반적으로 판매 시점인 주유소 앞마당 아래의 지하 탱크에 저장됩니다. 휘발유 및 디젤 연료는 다른 등급의 휘발유와 마찬가지로 별도의 탱크에 저장되어 지면 위로 들어 올려지고 펌프에 의해 판매될 수 있도록 계량됩니다.
휘발유 펌프는 일반적으로 지하 탱크에서 연료를 불러올 수 있으며 필요한 등급을 사용자에게 공급하기 위해 혼합할 수 있습니다. 그러나 유연 휘발유와 무연 휘발유를 혼합해서는 안 되므로 별도의 탱크와 펌프가 필요하며 내용물을 명확하게 표시해야 합니다.
