[오일족보] 오일계통도 - 석유정제 공정 [원유정제]

[오일족보] 오일계통도 - 석유정제 공정 [원유정제]

Oil		Dubai		Brent		Oman		WTI
				LDPE
				EVA
				HDPE
Naphtha				LLDPE
		Ethylene		EDC
				VCM		PVC
				EO		MEG
				Ethanol
				Acetaldehyde		Ethyl Acetate
				EPDM		Butyl Acetate
				PP
				AN
NCC		Propylene		PO		PPG
				Octanol(2-EH)		PG
				Butanol
				IPA
				Acrylic Acid
				Ester
		Mixed C4		MMA		PMMA
				SBR
		Butadiene		SB-Latex
				BR / NBR		PS		EPS
				SM		ABS
				Cyclohexane		Caprolactam
		Benzene		Phenol		BPA
				Acetone		MIBK
				Aniline		MDI
BTX				MA		1,4-BDD		PTMEG
				Alkyl Benzene
		Toluene		DNT		TDI
		Xylene		O-X		PA		DOP
				P-X		PTA
		Methanol		MTBE		DMT
				Acetic Acid		VAM
						PVA

석유 정제과정

■ 휘발유(Gasoline)

  석유제품 중 가장 널리 알려져 있는것이 휘발유이다. 휘발유란 비점범위가 30~200℃ 정도로서 휘발성이 있는 액체상태의 석유유분을 총칭하는 말이다. 휘발유의 물리적 성질은 일반적으로 상온상압에서 증발하기 쉽고 현저한 인화성을 지니며 공기와 적당히 혼합되면 폭발성 혼합가스가 되어 위험하다. 휘발유는 일반적으로 자동차용, 항공용, 공업용등 세가지로 나뉜다.

  자동차용 휘발유는 가속되는 경우에도 충분히 증발하여 실린더에 연료를 공급할 수 있도록 휘발성이 좋아야한다. 또한 가장 중요한 성질로서 안티노크성을 일으키지 않는 것이 요구된다. 안티노크성을 나타내는 척도로는 옥탄가가 사용되는데 옥탄가가 높을수록 안티노크성이 좋다는것을 나타낸다. 현행 국내자동차 휘발유는 옥탄가(RON)에 따라 고급휘발유(2호=96이상)와 보통휘발유(1호=91이상)로 구분하며, 소비자의 식별을 용이하게 하기 위하여 보통 휘발유에는 노란색, 고급휘발유에는 녹색을 착색한다. 과거에는 이상연소에 의한 노킹을 방지하기 위한 첨가제로서 4에틸납을 사용하였으나 인체의 신경계통에 유해하여 1987년 7월부터 국내 정유사들은 무연휘발유를 공급하고 있다. 무연휘발유는 알킬납 대신에 MTBE와 같은 옥탄가 첨가제를 사용하거나 접촉개질장치에서 만들어지는 개질 나프타등을 활용하여 옥탄가를 높인다.

  항공용 휘발유는 프로펠러를 가진 경비행기의 연료로 사용된다. 프로펠러 비행기의 항공 피스톤엔진도 자동차의 휘발유 엔진과 같은 전기 점화식인 4사이클링 엔진이므로 품질도 자동차용 휘발유와 대부분 공통적이나 항공기의 경우 운행조건이나 환경이 다르고 추락등 사고발생의 위험성이 크기때문에 품질을 엄격하게 규정하고있다.

  공업용 휘발유는 용제로 사용되는데 유지, 드라이크리닝용, 고무공업용, 도료용, 세척용등으로 널리 사용된다


  ■나프타(Naphtha)

  나프타는 페르시아어의 Naft(땅에서 스며나온 것)를 어원으로 하고 있다. 휘발유를 제조하는 과정에서의 중간제품으로서, 미국에서는 정제되지 않은 휘발유란 의미로도 사용되고있다. 나프타는 원유를 증류할 때 LPG와 등유 유분사이에 유출되는 것으로 일반적으로 경질 나프타와 중질 나프타로 구분하나 불특정 다수의 소비자에게 적용되는 유종이 아니란 점 때문에 KS규격 및 석유사업법상의 품질규격은 없다. 나프타의 용도는 연료용과 원료용으로 나누는데, 연료용은 휘발유등의 제조원료로 쓰이며, 원료용은 주로 석유화학공업용으로 사용되며 일부가 암모니아 비료용 및 용제용 원료로 사용된다. 나프타는 석유화학공업의 기초원료로서 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등을 생산하고 이를 기초로 다시 농업용, 필름, 인쇄잉크, 합성고무, 합성섬유, 합성수지, 염료, 의약품등 광범위한 분야의 제품을 만들어낸다.


  ■ 등유(Kerosene)

  등유는 석유제품 중 가장 오래 전부터 사용되어 왔다. 케로신은 그리스어의 케로스(밀랍)를 어원으로 하고 있듯이 등화용으로 각광을 받았다. 초기의 정제는 케로신을 생산하고 이케로신으로 부터 등화용의 기름과 함께 양초 제조용 파라핀 납을 얻는것이 주요 공정이었다. 그 때문에 석유라고 하면 등유를 가리키는 것이 일반화 되었다. 지금은 가정난방연료로써 가장 많이 쓰인다. 그러나 연탄 사용의 감소와 도시가스 보급 확대에 따라 에너지 소비부문중 가장 현저한 변화를 보이는 부분은 가정용 난방연료 부문이다. 90년대에는 기름보일러의 설치 증가로 등유의 사용량은 엄청나게 늘어났으나 석유제품은 연산품인 관계로 등유의 공급에는 한계가 있게 마련이다. 더욱이 소비자들은 경유를 사용할 수 있는 보일러에도 그을음 및 소음이 적다는 이유로 등유를 사용하는 사례가 있어 수급상의 문제는 더욱 심각해졌다. 해결책으로 보일러에 사용되는 등유의 수요를 줄이기 위해 실내등유와 보일러용 등유로 나누어 공급하고 있다.

  실내등유는 주로 가정에서 사용하는 팬히터, 스토브, 온풍기등 가정난방용 연료로서 실내에서 사용이 적합하도록 유황함량이 매우 낮고 색상이맑다. 보일러등유는 가정용 난방연료로 사용되어 오던 등유의 수급상의 애로를 해결하고, 경유를 난방유로 사용하는 소비자가 교통세를 부담하는 조세형평성의 문제를 해소하기 위해 1998년 8월 새로 신설된 제품이다. 보일러등유는 등유 유분과 경유유분을 적절하게 혼합하여 가정용 난방 보일러, 상업용 보일러, 중소 산업용보일러, 농업용 난방및 건조기등 의 연료로 적합한 유종이다. 등유유분의 장점인 동절기 저장안정성 및 연소성과 경유 유분의 장점인 높은 발열량을 적절히 갖고 있다.또한 보일러 등유의 부피당 발열량은 경유보다 약간(0.5%) 낮으나 실내등유 보다는 매우 높으며(2~3%) 경유보다 그을름 발생량이 적고 저온 성능도 우수하다.


  ■ 경유(Diesel oil, Gas oil)

  경유는 등유 다음으로 유출되는 유종으로, 원래는 휘발유나 등유보다 용도가 적어서 가격이 낮아 경유를분해한 가스를 첨가시켜서 도시가스의 열량을 높이는데 사용하였기 때문에 가스오일 이라는 별칭이 붙게 되었다. 그러나 현재는 디젤엔진의 등장과 발명으로 대부분(약80%) 고속디젤엔진의 연료로 쓰이고 있어 디젤오일 이라고 부른다. 그러나 디젤엔진에는 등유와 중유도 사용되므로 디젤연료 모두가 경유는아니다. 디젤엔진은

연소실 내의 흡입공기를 고 압축비로 압축하여 압축공기 온도를 연료의 자동발화 온도 이상으로 만들어 여기에다 연료를 분사시켜 연소시키는 방식이다. 가솔린 엔진의 전기점화식에 비해 이것은 압축점화식 엔진이라고 하는 것이 합리적인 명칭이라 생각되나 일반적으로 디젤엔진이라고 한다. 디젤엔진은 그 기본구조부터 휘발유 엔진에 비해 많은 잇점이 있다. 연료의 경제성이 있으며, 인화 위험성이 적으며, 고장이 적다. 그러나 결점도 있다. 엔진이 복잡하여 값이 비싸고, 운전시 소음이 크고 진동이 심하다. 이 밖에 동절기에는 유동점이하로 외기온도가 내려가면 시동에 지장을 초래한다. 이를 방지하기 위해 정유사는 동절기에는 지역에 따라 유동점을 낮추어 공급하고 있다.


  ■ 중유(Fuel oil, Bunker oil)

  중유는 나프타 유분에서 경질유를 제거한 유출유와 상압잔사유의 혼합물이나, 상압잔사유 그자체를 말한다. 이와 같이 중유는 증류 잔사유를 주성분으로 하고 경유, 감압 유출유등과 혼합된 석유제품으로 화학적인 정제는 하지 않으므로 석유제품중 품질면에서 저급하다고 할 수있다. 그러나 중유는 다시 가공하면 윤활유, 아스팔트, 석유코크스등을 만들수 있다.또한 중유는 열에너지원으로 중요한 역할을 하고 있다. 석탄의 발열량이 5,000~7,000 ㎉/㎏인데 비해 중유는 10,000~11,000㎉/㎏으로 발열량이 높으며, 열손실이 적고 연소의 조절이 용이하며 점화및 소화가 간편하여 열의 이용도가 높다. 중유는 엔진의 동력원, 보일러 연료등의 열원으로 사용되고 가스화, 나프타화, 코크스화등 2차가공을 거쳐 여러 분야에서 이용되고 있다. 중유는 점도에 따라 A중유(벙커A), B중유(벙커B), C중유(벙커C)로 나뉜다. A중유는 중유와 경유를 3:7로 혼합한 것이며, B중유는 7:3의 비율로 중유 성분이 많다. 따라서 A중유는 예열할 필요가 없을정도로 점도가 낮다. 중유는 대형선박 및 대형 보일러연료로 사용되는데 A중유<B중유<C중유 순으로 선박이 대형화된다. 중유중 C중유의 비중이 95% 이상을 차지하므로 중유를 벙커C유라고 부르기도 한다.

  ■아스팔트(Asphalt)

  아스팔트는 도로포장용이나 건축재료로 이용되는 석유제품으로 널리 알려져 있다.아스팔트는 천연적으로 산출되는 천연 아스팔트와 원유에서 제조되는 석유 아스팔트가있다. 석유 아스팔트는 감압증류라는 공정의 잔류물로서 원유에 포함되어 있는 성분이다. 아스팔트는 검은색의 접착성이 강한 고형물질인데, 가열하면 연하게 되어 유동질 상태로된다. 아스팔트는 감압증류된 잔유를 원료로 하여 제조되는 것이 일반적이다. 이것을 직류아스팔트라고 부르며 주로 도로포장용으로 사용된다. 직류아스팔트에 가열한 공기를 불어넣어 산화시킨 것을 블로운아스팔트라고 부르며, 이것은 주로 방수방습공사, 루핑, 전기절연재료 등으로 이용된다. 또한 아스팔트에 등유등의 경질유를 섞어서 물과 유화시킨 아스팔트유제는 도로의 간이포장에 쓰인다.


  ■윤활유(Lubricating oil)

  윤활유란 기계의 활동부분에 윤활을 위해 사용되는 액체상의 기름이다, 액체상의 윤활유에 비하여 상온에서 반고체상태의 그리스와 고체분말 상태의 흑연 및 2황화 몰리브덴과 같은윤활성을 갖는모든 물질을 총칭하여 윤활제라고 한다. 윤활유를 윤활제로 사용하는 기본 목적은 기계 마찰 부분의 고체마찰을 유체마찰로 바꾸어 고체마찰에 의한 기계적 저항을 감소시킴으로써 타서 늘어 붙는 현상이나 마모를 줄이는데 있다.


  ■LPG

  LPG(액화석유가스)는 프로판, 부탄등을 주성분으로 하는 혼합물이다. LPG는 주로 원유를 정제할 때 발생하는 부생가스와 천연 산혼합가스에서 제조되지만 석유화학공업의 여러공정중에서도 만들어진다. LPG는 다른연료에 비해 수송이 용이하고 취급이 편리하며 열량이 높기 때문에 그 용도가 다양하다. LPG는 주로 취사용, 난방용으로 쓰이며, 이 밖에 도시가스 원료, 금속공업, 잠업, 도장공업, 섬유공업, 화학공업등 공업용도에 쓰인다. 또 건조, 가열 등의 농업용과 자동차연료로도 쓰인다. 수송용으로 사용되는 LPG는 부탄가스이고, 철제용기에 들어있는 LPG는 프로판가스이다.

정제공정 및 공정도 (석유정제과정 용어)

정제공정 및 공정도 I. 원 유 (CRUDE OIL)

 

원유(Crude Oil)는 지층에서 천연적으로 산출되는 가연성 액체로서, 이를 정제하여 만든 제품이 석유제품(Petroleum Products)이며, 원유와 석유제품을 총칭하여 석유(Petroleum)라고 함.

1. 원유의 성분과 조성
원유는 여러 가지 탄화수소 혼합물로 황화합물, 질소화합물, 금속염류 등의 불순물을 소량 함유하고 있음.
원유의 특성은 원유를 구성하고 있는 탄화수소의 성분, 조성비율에 따라 원유 자체의 물리 화학적 성상이 달라지며, 정제하여 만들어지는 제품의 수율 (Yield) 도 달라짐.
원유의 물리적 성질을 나타내는 요소에는 비점, 비중, 점도, 응고점, 발열량 등이 있으나, 이중 많이 사용되는 것은 비점과 비중이며, 일반적으로 탄소함량비율이 많을수록 비등점, 비중 및 점도가 증가함.
 

2. 원유의 분류
가. 물리적 성질에 따른 분류

輕質원유 : API 34 이상 中質원유 : API 30 ~ 34 重質원유 : API 30 이하		API=	141.5	- 131.5
			비중 (@60℉)

o API (American Petroleum Institute) 수치가 클수록 가벼운 원유임.

나. 화학적 성질에 따른 분류
탄화수소의 종류에 따라서 파라핀기 원유, 나프텐기 원유, 파라핀기와 나프텐기의 중간적 성상인 중간기 원유로 분류함.

다. 유황함량에 따른 분류

Low-sulfur 원유 : 1 wt%이하 Middle-sulfur 원유 : 1 ~ 2 wt% High-sulfur 원유 : 2 wt%이상

일반적으로 輕質 원유일수록 유황분이 적음.

II. 정유공정 개요

* 정유공정은 크게 다음의 3단계로 구분된다.   증 류 (Distillation) 원유 중에 포함된 염분을 제거하는 탈염장치등 전처리과정을 거친후 가열된 원유를 常壓증류탑에 투입하면 증류탑에서는 비등점 차이에 의해 가벼운 성분부터 상부로부터 분리된다. 정 제 (Purification) 증류탑으로부터 유출된 유분중의 불순물을 제거하고, 제품별 특성을 충족시키기 위하여 2차처리공정을 거치게 함으로써 품질성상을 향상시킨다. (예 : 메록스공정, 접촉개질공정, 수첨탈황공정 등) 배 합 (Blending) 상압증류 공정이나 2차 처리공정에서 나오는 각종 유분을 각 제품별 규격에 맞게 적당한 비율로 혼합하거나 첨가제를 주입하여 배합한다. (예 : 유황분배합, 옥탄가배합, 증기압배합, 동점도배합 등)

1.상압증류공정 (Atmospheric Distillation Unit)
정유공정 중 가장 중요하고 기본이 되는 공정으로, 증류의 원리에 의해서 원유를 가열, 냉각 및 응축과 같은 물리적 변화과정을 통하여 일정한 범위의 비점을 가진 석유 유분을 분리시키는 공정이다.

유 분	비 점 (℃)	용 도 (배합원료)
가 스 직류가솔린(L S R) 조 나 프 타(Raw Naphtha) 조 등 유(Raw Kerosene) 경질가스유(L G O) 중질가스유(H G O) 잔사유(Reduced Crude)	~ 27 27 ~ 69 69 ~ 157 157 ~ 244 244 ~ 372 372 ~ 384 384 ~	프로판, 부탄, 휘발유 휘발유, 석유화학 나프타 휘발유, 석유화학 나프타 항공유 (JP-5, JP-8, Jet A-1)실내등유, 보일러등유, 경유 경유, 보일러등유, B-A B-A, LRFO, B-C, 경유 B-C, LRFO, B-A, 아스팔트

2. 메록스공정 (Merox Unit)
상압증류공정에서 생성된 경질유분에 함유된 황화수소(H2S) 를 제거하고 악취가 심한 머캡탄 (Mercaptan) 성분을 악취가 덜 나는 이황화물 (Disulfide) 로 전환 또는 제거하는 공정이다.

액화석유가스 메록스 (LPG Merox)	액화석유가스(LPG)중에 있는 유황성분 (H2S 및  머캡탄) 을 제거하는 공정
직류가솔린 메록스 (LSR Merox)	LSR (Light Straight Run Naphtha) 유분중 유황성분을 제거하여 휘발유 배합 원료를 제조하는 공정
고정상 메록스 (Solid Bed Merox)	조등유중에 있는 H2S를 제거하고 머캡탄을 전환하여 등유 및 항공유의 배합원료를 제조하는  공정.

3. 가스회수공정 (GCU, Gas Concentration Unit)
상압증류공정 및 접촉개질공정 (Platforming Unit) 에서 생성된 프로판- 부탄 혼합가스로부터 90∼95 % 이상의 순수한 프로판과 부탄을 분리 회수하는 공정이다.

4. 수첨탈황공정 (Hydrodesulfurization Unit)
상압증류공정에서 생성된 조나프타 (Raw Naphtha), 조등유 (Raw Kerosene)경질가스유 (LGO) 등을 촉매하에서 수소를 첨가, 반응시킴으로써 유황분을 비롯한 질소 및 금속 유기화합물 등 각종 불순물을 제거하고 품질을 개선시키는 공정이다.
조나프타를 처리하여 용제를 생산함과 동시에 접촉개질공정의 원료유를 제조하는 나프타 수첨탈황공정 (Unifining Unit), 조등유 또는 경질 가스유를 처리하여 등유, 항공유, 경유등을 생산하기 위한 등/경유 수첨탈황공정 [ MDU (Middle Distillate Hydrodesulfurization Unit) ] 이 있다.

5. 접촉개질공정 (Platforming Unit)
옥탄가가 낮은 경질유분의 탄화수소 구조를 바꾸어 옥탄가가 높은 유분으로 변환시키는 방법을 리포오밍 (Reforming) 이라고 한다. 리포오밍의 대표적인 방식이 접촉개질법이다.
접촉개질공정은 저옥탄가의 나프타를 백금계 촉매하에서 수소를 첨가, 반응시킴으로써 휘발유의 주성분인 고옥탄가의 접촉개질유 (Reformate) 를 생산하는 공정이다.
접촉개질유에는 방향족화합물이 다량 함유되어 있으므로 벤젠, 톨루엔, 자일렌을 생산하기 위한 방향족 추출공정의 기본원료로도 사용된다.

6. 감압증류공정 (VDU, Vacuum Distillation Unit)
고비점 유분을 고온에서 증류하면 열분해가 발생하여 품질 및 수율저하와 가열관내 코크스 생성•부착에 따른 가열관 손상을 초래하게 되므로 열분해 방지를 위해서는 증류탑의 압력을 감압상태로 하여 유분의 비점을 저하시켜 증류시키는 것이 감압증류 (Vacuum Distillation) 이다.
어떠한 액체에 가해지는 압력을 낮주면 비점이 낮아진다는 물리적 원리를 이용하여, 상압증류탑에서 분리된 상압잔사유 (AR, Atmospheric Residue) 를 감압상태에서 증류하여 중질유 수첨분해공정의 원료로 사용되는 감압경질유분 (VGO, Vacuum Gas Oil) 과 중질유 수첨탈황공정 및 아스팔트산화공정의 원료로 사용되는 감압잔사유 (VR, Vacuum Residue) 를 생산하고 또한 직접 아스팔트도 생산한다.

7. 아스팔트 산화공정 (AOU, Asphalt Oxidizing Unit)
감압증류공정에서 경질유분을 분리하고 남은 감압잔사유 (Vacuum Residue)를 압축공기로 산화•중합시켜 아스팔트 제품을 생산하는 공정이다.

8. 중질유 수첨분해공정 (UC, Unicracking Unit)
감압증류공정에서 생산된 감압경질유분 (Vacuum Gas Oil) 을 촉매 존재 하에 수소를 첨가하여 분해 및 탈황시켜 초저유황 등ㆍ경유등의 경질석유제품으로 전환하는 공정이다. 전환되지 않은 미전환유 (Unconverted Oil) 는 윤활기유공정 (Lube Base Oil Plant) 의 원료로 사용된다.

9. 감압 잔사유 탈황공정 (VRDS, Vacuum Residue Desulfurization Unit)
감압증류공정에서 생산된 감압잔사유 (Vacuum Residue) 와 상압잔사유 (Atmospheric Residue) 를 원료로 촉매 존재하에 수소를 첨가하여 탈황시켜 초저유황 B-C (유황함량 0.5 wt% 이하) 및 경유를 생산하는 공정이다.

10. 유황 회수 공정 (SRP, Sulfur Recovery Plant)
중질유 분해 및 탈황공정에서 생성된 H2S 가스를 촉매존재하에 반응시켜(Claus 반응; H2S 를 O2와 반응시킴) 99.9 % 의 순도를 지닌 용융황 (Molten Sulfur) 를 회수하는 공정이다.

11. 수소제조공정 (HP, Hydrogen Plant)
경질나프타 또는 부탄을 촉매 존재하에 수증기와 접촉반응 (Steam Reforming) 시켜 약 70 % 순도의 수소를 제조하고 PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정을 거쳐 불순물을 제거하여 순도 99.9 % 이상의 수소를 제조하는 공정이다. 생산된 수소는 중질유 수첨분해공정, 중질유 수첨탈황공정, 중질유 탈황공정, 중질유 유동상촉매 분해공정 및 윤활기유 제조시설등에 공급된다.

12. 윤활기유 제조시설 (LBO, Lube Base Oil Plant)
중질유 수첨분해공정 미전환유 (Unconverted Oil) 를 촉매존재하에 수첨 처리하여 Wax성분을 제거한 뒤 방향족성분을 포화시켜, 윤활유의 원료인 고점도지수 (Very High Viscosity Index) 윤활기유 (Lube Base Oil) 를 생산하는 시설이다.

13. 중질유 탈황공정 (RHDS, Residue Hydro-Desulfurization Unit)
고유황 상압잔사유 (H/S Atmospheric Residue) 를 고온•고압하에서 수소를 첨가 탈황하여 유동상촉매 분해공정의 원료가 되는 저유황 연료유 (L/S Fuel Oil) 와 경유등을 생산하는 공정이다.

14. 중질유 유동상촉매 분해공정 (RFCC, Residue Fluid Catalytic Cracking Unit)
중질유 탈황공정(Residue Hydro-Desulfurization Unit)에서 생산된 저유황 연료유 (L/S Fuel Oil) 와 저유황 상압잔사유 (L/S Atmospheric Residue) 를 원료로 유동상 촉매분해를 통해 휘발유 원료등을 생산하는 공정이며 이외 기타의 위성공정 (Alkylation, MTBE, PRU) 등으로 구성되어 있다
- MTBE 공정 (Methyl Tertiary Butyl Ether Unit)
중질유 유동상촉매분해공정 (RFCC) 에서 생산된 C4 유분중 iso-Butylene을 메탄올과 반응시켜 고옥탄 함산소 유분인 MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether) 를 생산하는 공정이다.
- 알킬화 공정 (Alkylation Unit)
MTBE공정에서 생산되는 C4 Raffinate중 Butylene을 iso-Butane과 반응 시켜 옥탄가가 높은 고청정 휘발유 배합유분인 Alkylate를 생산하는 공정이다.
- 프로필렌 회수 공정 (PRU, Propylene Recovery Unit)
중질유 유동상촉매 분해공정 (RFCC) 에서 생산되는 Gas Stream 중 프로 필렌 (Propylene) 을 회수하는 공정이다.

15. 벤젠 회수 시설 (Benzene Recovery Unit)
접촉개질공정에서 생산된 접촉개질유 (Reformate) 를 촉매 존재하에 분리 및 추출하여 벤젠을 회수하는 시설로 저벤젠 휘발유를 제조하는데 활용 된다.

16. HOU 

 (수첨분해공정 : Heavy Oil Upgrading: 중질유 분해 관련 고도화 설비)
  중질유에 수소를 첨가하여 경질유로 변환 - GS칼텍스 진행중