가솔린

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배경

휘발유는 석유 또는 원유를 정제하여 얻은 휘발성, 가연성 액체입니다. 원래 등유 생산의 부산물로 폐기되었지만 저온에서 기화하는 능력으로 인해 많은 기계에 유용한 연료가 되었습니다. 미국 최초의 유정은 1859년 펜실베니아주 타이터스빌 근처의 에드윈 L. 드레이크(Edwin L. Drake)가 거의 70피트(21m) 깊이에서 공격했습니다. 1876년 Nikolaus Otto가 4행정 내연기관을 개발하면서 가솔린은 자동차 산업에 필수적인 요소가 되었습니다. 오늘날 거의 모든 휘발유는 자동차 연료로 사용되며 농업 장비와 항공기에 전력을 공급하는 데에는 극히 일부만 사용됩니다.

화석 연료인 석유는 오늘날 다른 어떤 공급원보다 더 많은 에너지를 세계에 공급합니다. 미국은 세계 최고의 석유 소비국입니다. 1994년 미국인들은 하루에 7,587,000배럴의 석유를 사용했습니다. 석유는 수백만 년 동안 엄청난 압력을 받아온 동식물의 잔해에서 형성됩니다. 일반적으로 이 유기물은 청소부와 호기성 박테리아의 도움으로 완전히 분해되지만 석유는 산소가 없는 혐기성 환경에서 생성됩니다. 세계적으로 알려진 원유의 절반 이상이 페르시아만 분지에 집중되어 있습니다. 다른 주요 지역에는 알래스카 해안과 멕시코 만이 포함됩니다.

가솔린을 포함한 석유 제품은 주로 탄화수소(수소와 탄소 분자를 포함하는 분자)와 소량의 다른 물질의 혼합물입니다. 원유는 다양한 길이의 탄화수소 사슬로 구성되어 있으며 일부는 짧은 사슬과 일부는 매우 긴 사슬을 포함합니다. 기름을 얼마나 분해하고 정제하느냐에 따라 여러 제품이 될 수 있다. 일반적으로 분자가 작을수록 끓는점이 낮아집니다. 따라서 탄소가 1~5개인 매우 작은 사슬을 가진 가스는 매우 낮은 온도에서 끓습니다. 6-10개의 탄소를 가진 가솔린은 약간 더 높은 온도에서 끓습니다. 가장 무거운 오일은 최대 25개의 탄소 원자를 포함할 수 있으며 405°C(761°F)까지 끓는점에 도달하지 않습니다.

원자재

휘발유는 석유를 증류하고 정제하는 과정에서 나오는 제품 중 하나입니다. 유기 납 화합물 과거에는 엔진 노킹을 줄이기 위해 가솔린에 첨가되었지만 환경 문제로 인해 더 이상 일반적이지 않습니다. 휘발유에 다른 화학 물질을 첨가하여 휘발유를 더욱 안정화시키고 "감미료"라고 하는 과정에서 색과 냄새를 개선합니다.

제조
프로세스

탐색

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1 휘발유 제조의 첫 번째 단계는 그 모성분인 석유를 찾는 것입니다. 원유는 기원 지역에서 이동한 후 다공성 암석 또는 저수지 암석 지역에 갇힙니다. 기름이 집중될 가능성이 있는 지역은 해당 지역에서 흔히 발견되는 암석 유형을 찾아 정확히 찾아낼 수 있습니다. 탐험가는 땅의 표면 특징을 조사하고 음파가 어떻게 반사되는지 분석할 수 있습니다. 가솔린은 석유 또는 원유를 정제할 때 얻어지는 휘발성, 가연성 액체입니다. 암석을 조사하거나 중력 측정기를 사용하여 암석의 미세한 차이를 감지합니다.

2 가능한 오일 저장소를 찾은 후 해당 지역을 테스트 드릴해야 합니다. 암석 형성을 확인하기 위해 테스트 웰에서 코어 샘플을 채취하고, 더 많은 드릴링이 정당한지 결정하기 위해 샘플을 화학적으로 분석합니다. 오늘날 사용되는 방법은 과거보다 더 발전되었지만 석유 탐사에 대한 확신은 아직 없습니다.

드릴링

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3 원유는 암석 속으로 305m(1,000피트) 이상에 도달할 수 있는 우물을 통해 회수됩니다. 구멍은 물이 추가될 때 땅에 구멍을 뚫기 위해 비트를 사용하는 회전식 드릴로 만듭니다. 물과 토양은 기름을 억제하는 데 도움이 되는 두꺼운 진흙을 만들고 저수지 암석에 포함된 내부 압력으로 인해 기름이 "분출"되는 것을 방지합니다. 저수지에 도달하면 드릴이 제거되고 파이프가 삽입되는 동안 진흙이 오일을 계속 억제합니다.

복구

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4 오일을 회수하기 위해 복잡한 파이프와 밸브 시스템이 드릴링 웰에 직접 설치됩니다. 저수지 암석의 자연적인 압력은 석유를 우물에서 파이프로 가져옵니다. 이들은 오일(액체) 및 가스(비액체) 분리기를 통해 원유를 정제소로 보내는 일련의 대형 파이프로 구성된 회수 시스템에 연결됩니다. 이 방법을 사용하면 최소한의 폐기물로 오일을 회수할 수 있습니다.

5 결국, 비록 많은 양의 기름이 암석에 여전히 남아 있을 수 있지만, 우물의 자연적인 압력이 소모됩니다. 이제 더 많은 비율의 오일을 얻기 위해 2차 회수 방법이 필요합니다. 압력은 오일 위의 주머니에 가스를 주입하거나 훨씬 더 일반적으로 우물에 물을 범람하여 복원됩니다. 이 과정에서 우물 둘레에 4개의 구멍이 뚫리고 물이 추가됩니다. 석유는 물 위에 떠서 표면으로 올라옵니다.

분별 증류

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6 원유는 유동성이 없고 연소하는 데 매우 높은 온도가 필요하기 때문에 좋은 연료가 아닙니다. 원유의 긴 분자 사슬은 석유 정제소에서 가솔린을 포함한 더 작은 정제 연료 사슬과 분리되어야 합니다. 이 과정을 분별 증류라고 합니다.

분별 증류탑은 최대 200,000배럴의 원유를 저장할 수 있는 거대한 단위입니다. 오일은 먼저 용광로로 펌핑되고 ​​316°C(600°F) 이상으로 가열되어 가장 큰 분자를 제외한 모든 분자가 증발합니다. 증기는 높이가 46m(150피트)인 분류 컬럼으로 올라갑니다. 증기는 기둥을 통해 상승하면서 냉각됩니다. 모든 화합물의 끓는점이 다르기 때문에 더 크고 무거운 분자는 먼저 탑에서 아래로 응축되고 짧고 가벼운 분자는 탑에서 더 높게 응축됩니다. 천연가스, 휘발유, 등유가 정상 부근에서 방출됩니다. 플라스틱 및 윤활유 제조에 사용되는 더 무거운 화합물은 타워에서 아래쪽으로 제거됩니다.

분별 증류 자체는 원유에서 가솔린을 생산하는 것이 아니라 원유의 다른 화합물에서 가솔린을 제거할 뿐입니다. 연료의 품질을 개선하기 위해 추가 정제 공정이 사용됩니다.

석유 정제

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7 촉매 분해는 정유에서 가장 중요한 공정 중 하나입니다. 이 공정은 촉매, 고온 및 증가된 압력을 사용하여 석유의 화학적 변화에 영향을 줍니다. 알루미늄, 백금, 가공된 점토 및 산과 같은 촉매를 석유에 첨가하여 원하는 가솔린 화합물을 갖도록 더 큰 분자를 분해합니다.

또 다른 정제 과정은 중합입니다. 이것은 더 가벼운 기체의 더 작은 분자를 액체 연료로 사용할 수 있는 더 큰 분자로 결합한다는 점에서 크래킹의 반대입니다.

첨가제

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8 가솔린이 정제되면 화학 물질이 첨가됩니다. 일부는 "엔진 노크"를 방지하기 위해 너무 빨리 연소하는 가솔린의 화학 물질과 반응하는 노크 방지 화합물입니다. 유연 휘발유에서 테트라에틸 납은 노크 방지 첨가제입니다. (무연 휘발유는 더욱 정제되어 노킹방지 첨가제의 필요성이 최소화됩니다.) 엔진에서 고무가 형성되는 것을 방지하기 위해 기타 첨가제(산화방지제)가 첨가됩니다. 껌은 엔진 내부 부품을 코팅하고 마모를 증가시킬 수 있는 가솔린에서 형성되는 수지입니다.

가솔린 등급

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9 가솔린은 주로 두 가지 휘발성 액체인 헵탄과 이소옥탄의 혼합물입니다. 더 가벼운 연료인 순수한 헵탄은 너무 빨리 연소되어 엔진에 엄청난 충격을 줍니다. 순수한 이소옥탄은 천천히 증발하며 사실상 노킹을 일으키지 않습니다. 헵탄 대 이소옥탄의 비율은 옥탄가로 측정됩니다. 이소옥탄의 비율이 높을수록 노킹이 적고 옥탄가가 높아집니다. 예를 들어, 옥탄가 87은 이소옥탄 87%와 헵탄 13%의 혼합물과 비슷합니다.

부산물/폐기물

평균적으로 석유의 44.4%가 가솔린이 됩니다. 실제로 석유에서 나오는 폐기물은 없습니다. 더 가벼운 화학 물질은 천연 가스, 액화 석유 가스(LPG), 제트 연료 및 등유입니다. 더 무거운 제품은 윤활유, 플라스틱 및 아스팔트 제조에 사용됩니다. 또한 덜 가치 있는 많은 제품이 화학적으로 더 판매 가능한 화합물로 전환될 수 있습니다.

미래

가솔린은 오늘날 많은 응용 분야에서 널리 사용되지만 석유는 재생 불가능한 자원이기 때문에 과거의 연료가 될 운명입니다. 현재 기술은 남아 있는 석유 저장고를 최대한 활용하고 대체 에너지원을 찾는 데 중점을 두고 있습니다. 석유 저장고의 범위를 정확하게 결정하기 위한 새로운 방법, 석유 회수를 제어하는 ​​자동화 시스템, 작업자가 알려진 저장고에서 더 많은 석유를 회수할 수 있도록 하는 방법이 모두 오늘날 사용 가능한 석유 저장고를 완전히 활용하기 위해 조사되고 있습니다.

유전 탐사의 최신 방법은 저장고의 물리적 크기와 오일의 부피를 측정합니다. 종종 유정 내부의 압력은 오일이 회수되는 시간에 따라 측정됩니다. 이 데이터를 사용하여 과학자들은 저수지의 크기와 침투성을 결정할 수 있습니다. 저수지 측면에서 음파를 반사시키는 에코 미터는 우물의 특성을 발견하는 데 사용할 수도 있습니다.

현대의 오일 회수 방법은 대부분 컴퓨터 시스템에 의해 적어도 부분적으로 제어됩니다. SCADA(Systems for Supervisory Control of Data Acquisitions)는 전문 소프트웨어를 사용하여 하나 이상의 마스터 터미널과 여러 원격 터미널을 통해 작업을 모니터링합니다. 이러한 시스템은 효율성을 높이고 환경에 해를 끼칠 수 있는 사고를 예방하며 안전을 강화하여 작업자 수를 줄입니다.

향상된 오일 회수 방법은 저장소에서 얻을 수 있는 오일의 비율을 증가시킵니다. 과거에는 노동자들이 저수지에 담긴 기름의 절반도 채 못 뽑아낼 수 있었습니다. 새로운 방법은 가스나 거품을 유정에 주입하여 유정을 밀어내고 수평으로 유정을 시추하며 더 많은 지구물리학적 정보를 사용하여 저수지의 특성을 정확하게 예측하는 것입니다.

가솔린은 제한된 석유 공급에서 생산되기 때문에 과학자들은 미래의 기계에 동력을 공급할 깨끗하고 재생 가능한 에너지원을 찾고 있습니다. 과거 증기선에서 사용되었던 증기력은 새롭게 주목받고 있는 에너지원입니다. 전기 자동차가 개발되었으며 태양열 및 풍력 에너지도 자동차와 가정에 전력을 공급하고 있습니다.