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    石油、天然氣的特性

    石油、天然氣的特性
    陳大麟 中國石油公司探採研究所


    我們一般所稱的石油,實際上可以分成原油與天然氣,在地表以液態產出者稱為原油,氣態者稱為天然氣。石油是一種由地下開採而得的資源,其組成及產狀因地點、深度而有所不同。有些地區所產的原油狀似汽油,可直接加入引擎燃燒;有些原油則黏稠如柏油,不易流動。儲存石油與天然氣的地層稱為油氣層,而存在於油氣層中的流體,則稱為油氣層流體。

    油氣層流體的分類

    一般習慣將油氣層流體分為油層、氣層及凝結油氣層等三類,其中油層尚可再細分為黑油及揮發性原油,氣層亦可再細分為乾氣與濕氣。因此,油氣層流體有黑油(亦有人稱原油)、揮發性原油、逆變凝結油氣、濕氣及乾氣等五種類型。主要係視其在油氣層中之相態來分類,黑油與揮發性原油在油層內均以液態存在;至於逆變凝結油氣、溼氣及乾氣等三類在油氣層中均以氣態存在。

    天然氣的比重:天然氣的比重與液體的比重不同,天然氣比重為天然氣密度與乾燥空氣密度之比值,如果知道天然氣的組成,也可以用天然氣的平均分子量除以空氣的平均分子量而得。

    原油的比重:一般物理上所稱的比重係指同體積液體與水的重量比,原油的比重即原油密度與水密度的比值,但在石油工業中通常另以美國石油學會所建議的 API 比重來表示,以避免原有比重定義中的小數點,API 為美國石油學會之縮寫。API 比重與一般比重的關係可利用以下公式來換算:

    API 比重 =(141.5/比重)− 131.5

    其量測方法是以特製的比重計投入油樣中,在油樣溫度為華氏 60 度的狀況下,讀出液面所在之刻度,就是油料的 API 比重。API 比重適用於原油及成品油,由上述公式可發現 API 比重愈高者表示比重愈輕,反之 API 比重愈低表示比重愈高。原油依其 API 比重度數的高低,可分成重油(20 度以下)、中質油及輕質油(40 度以上),如常做為計價指標的美國西德州中級原油即屬中質油。

    石油煉製的基本原理

    在日常生活中石油主要扮演兩種角色:石化原料與能源燃料,兩者均為民生及工業所需。石油的成分以碳與氫的化合物為主,石油與其所衍生的化合物通稱為「碳氫化合物」,簡稱「烴」。最簡單的碳氫化合物為分子中含一個碳的甲烷,也就是天然氣的主要成分。含碳愈多,分子愈大,化學結構也就愈複雜。碳氫化合物依其分子結構的不同可分成石臘烴、烯烴、環烷烴與芳香烴等四類。

    原油為製造石油產品的原料,由原油製造石油產品的過程稱為煉油,主要原理係利用蒸餾方式將原油中不同沸點的碳氫化合物予以分離,再以化學處理方法提高產品的價值。原油進入煉油廠後先加熱到華氏 600 度,然後進入分餾塔的中間部分,沸點低的成分因受熱汽化而上升,沸點高的成分則漸次到達塔底,塔中每一層均會收集到一定沸點之組成。

    原油經過直餾後,所餘之蒸餾油中含有高沸點的潤滑油成分及臘份等,可另外在真空下蒸餾,使這些高沸點的成分不致因高溫而分解,因此可在較低溫度的情況下分餾成各種餾份。蒸餾後殘留於分餾塔底部的真空蒸餘油還可做為提煉汽缸油的原料,製造柏油或燃料油之用。

    原油經過蒸餾後大約只能製成 20 ~ 25% 的汽油,因此光靠分餾並無法全部得到高價值的產品,必須再經過轉化過程方可獲得更多價值較高的輕質油品,因此尚需加入裂煉與重組的步驟。經由裂煉可將廉價重質的柴油或蒸餘油等,在高溫下裂解成輕質的汽油,增加汽油的產量。由直餾而得的汽油辛烷值並不高,可利用重組法將油中低品質的分子重新排列,使變成高品質、高辛烷值的油品。

    石油產品的一些特性

    原油經過蒸餾後,依沸點大約可分成液化石油氣、汽油、輕油、柴油、重油及瀝青等成分。以下介紹幾種常見的石油產品及其特性。

    天然氣:天然氣是一種由地層中直接開採產出的可燃性氣體,主要成分為甲烷,其外觀無色且無臭,但為避免漏氣時無法查覺,通常會另外添加微量的臭劑。在常溫常壓下,天然氣係以氣態存在,不像液化石油氣經高壓即可液化,故天然氣皆以管線輸送,但在越洋運輸時,因舖設海底管線難度較高,通常先將天然氣冷凍至攝氏零下 162 度形成液態的液化天然氣(LNG),並以特殊的船舶來運輸。

    一般天然氣用戶以所使用之氣量來付費,由於氣體的體積會隨溫度與壓力而變化,因此買賣雙方之計量有一定的約定,須在特定的溫度與壓力下,通常採溫度為華氏 60 度、壓力為 761.53 毫米汞柱(mmHg)之條件為計量標準。由於天然氣的主要用途為燃燒發熱,故其價值與熱值的多寡有關,在交易上亦常有以熱值為計價單位,如工廠、發電廠等大用戶除了以體積計價外亦有採用熱值計價者。

    天然氣的熱值有總熱值與淨熱值之別,前者係指天然氣燃燒後其所產生之蒸氣再凝結為液態水時所放出之總熱量;後者則為所生成之水蒸氣仍為氣態時所放出之總熱量。天然氣之總熱值約在 8,000 ~ 10,700 千卡/立方公尺之間。熱值的測定係以一定量的天然氣在一定裝置內燃燒,再測定其總發熱量,由於天然氣係由地下產出,成分中難免含有水分,故天然氣熱值之試驗報告有乾基與濕基之分,乾基係指不含水氣之天然氣;濕基則在測定熱值前須先使天然氣飽和水蒸氣再測定其熱值。

    隨著國民生活水準的提高,天然氣用量迅速增加,而且由於環保要求,新設發電廠亦紛採天然氣發電,預期此種乾淨能源的用量將與日俱增。

    液化石油氣:液化石油氣俗稱液化瓦斯,係丙烷與丁烷之混合物,由於在常壓下為氣態,為求運送方便遂加壓成液態裝入鋼瓶中運送,一般液化石油氣是由 50% 的丙烷與 50% 的丁烷所組成。目前國內液化石油氣主要來自煉油廠之副產品,由天然氣中分離者較少。

    汽油:汽油的特性中最重要的是「辛烷值」,辛烷值係表示汽油抗爆震性高低的標準,汽油的辛烷值愈高代表品質愈佳、抗爆震性愈好。過去以四乙基鉛為抗爆震添加劑,由於這種化合物具有毒性,目前已全面禁用而改供應無鉛汽油。無鉛汽油係添加含氧化合物來提高汽油中之含氧量,其中又以乙醇及甲基第三丁基醚(MTBE)為主,目前我國所供應的無鉛汽油即添加甲基第三丁基醚,而 98、95 及 92 無鉛汽油,即分別表示其辛烷值為 98、95 及 92。

    辛烷值的量測,通常取抗爆震能力最佳的異辛烷,及抗爆震能力最差的正庚烷,分別設定其辛烷值為 100 與 0。任何汽油只要在標準引擎中與這兩種物質所混合的標準油料相比較,若所產生之爆震程度相同,即稱其辛烷值相同。

    柴油:柴油引擎之運轉原理與汽油引擎不同,汽油引擎係利用火星塞點火燃燒而產生動力,柴油引擎則靠壓縮著火而產生爆炸。

    柴油與汽油一樣是由原油蒸餾或裂煉所提煉出來,依其來源可分成由原油經蒸餾所提煉出來的原生柴油,以及由重油裂煉而得的裂煉柴油。

    柴油以十六烷值代表其著火性能,即指其自動著火之溫度高低。柴油之著火性表示燃料於噴入汽缸時,著火延遲時間的長短,著火性良好的燃料容易著火,且著火遲延時間較短。十六烷值的測定方法類似於汽油的辛烷值,係測定油料之著火性與標準燃料比較而得,標準燃料是十六烷及七甲基壬烷,其十六烷值分別為 100 與 15,取這兩種物質依比例混合成類似柴油的油料,如其著火點相等於所測試之柴油,則稱此兩油料之十六烷值相同。

    石油化學品:凡是由石油、天然氣及其相關產品為原料所製成之各種化學產品,都可以稱為石油化學品。依基本原料與結構的不同,石油化學品大致可分成脂肪族、芳香族及無機物等三類。脂肪族即鏈狀或環狀之非芳香烴碳氫化合物的衍生物,芳香族則指主要骨架為芳香烴碳氫化合物的有機衍生物,無機石油化學品則為石油提煉過程中所產生之無機化合物,如硫磺、硫酸、氨、硝酸、硫酸錏、尿素及碳黑等。

    石油化學品由上游的石化原料、化學肥料、人造纖維、合成樹脂及塑膠,到下游的油漆、清潔劑、針織、橡膠製品等,無不與我們的食、衣、住、行有密切的關係。此外,資訊業、汽車工業及電子業等之相關零配件也有 80% 來自石油化學品,因此有人稱石化工業為工業發展的火車頭。

    石油溶劑:任何一種具有溶化其他物質能力,且能形成均勻溶液的液體,稱之為溶劑。石油溶劑之種類繁多,製造方法也不盡相同。

    溶解力當然是溶劑的主要特性之一,常用苯胺點來評估。在常溫下溶劑與苯胺並不互溶,苯胺的比重較大,會沉在下層;溶劑比重小,浮於上層。但如徐徐加熱,苯胺與溶劑會因互相溶解而不再分層,二者達到互溶狀態之最低溫度即為苯胺點。苯胺點愈低,表示溶劑的溶解力愈強,油漆工業多根據苯胺點的高低來判斷稀釋用溶劑之溶解力。石油溶劑以芳香族溶劑與脂肪族溶劑為主,脂肪族溶劑的苯胺點較高,而芳香族溶劑則較低。由此可知芳香族溶劑的溶解力強、用途廣、用量多、價值高,故一般石油提煉多著重於提取芳香族溶劑。


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