[석유화학] 중질유분해시설 'RFCC(Residue Fluid Catalytic Cracking)'

Intro

지난 포스팅에 일반정유공정 중 하나인 'CDU(상압증류공정)'에 대해 공부해 보았습니다. CDU를 거친 원유는 끓는점에 따라 분별증류하여 LPG, 나프타, 등유, 경유, 아스팔트, 벙커C유 순으로 분리가 되었습니다. 이때 생성되는 중질유인 고유황 벙커C유의 비중이 40~50% 수준인데요. 황 성분이 많고 연소도 잘 일어나지 않아 경제성이 떨어집니다. 이를 다양한 고도화 공정을 통해 중질유를 다시 한 번 가공, 분해, 탈황을 통해 휘발유, 등유, 경유 등 경질유로 탈바꿈하게 됩니다.

 

여러 고도화 공정 중 하나인 중질유 분해시설 'RFCC' 공정에 대해 알아보겠습니다.

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출처 - GS칼텍스 홈페이지 (생산공정)

 

▤ 목차

 

'RFCC 공정'은 무엇인가

- Residue Fluid Catalytic Cracking Unit

- 잔사유(중질유)를 흐르는 촉매와 반응시켜 분해하는 것 (접촉분해)

- 공정은 반응기(분해, reactor), 재생탑(촉매 재생 regenerator), 정류탑(분별 증류, fractionator) 세 가지로 나눔

- 저유황 벙커C유를 분해하여 휘발유 위주의 경질유를 생산

- 수소를 도입하지 않아 제품에 올레핀/아로마틱 성분이 다량 포함

- FCC 공정과 유사하지만 더 높은 수준의 재생 가능한 촉매를 사용하여 더  높은 수준의 무거운 원유를 처리할 수 있음

 

즉, 경제성이 떨어져 이전까지 버리던 성분을 가지고 정유 제품을 만드는 기술

 

중질유 및 경질유

☞ 중질유(유황 성분↑) : CDU(상압증류공정) 후 남은 잔사유, Residual Oil, 감압증류공정(VDU) 후 증류된 오일

☞ 경질유(유황 성분↓) : 휘발유, 등유, 경유, 프로필렌 등

** API(미국석유헙회)에서 정한 기준(33도 이상 경질유, 30도 미만은 중질유)

'RFCC' 세부적인 공정 과정

01 반응기 (Reactor)

- 감압증류공정(VDU)에서 나온 중질유는 탈황시설을 거친 후 RFCC 반응기로 투입

- 반응기 아래에 설치되어 있는 관을 'riser'라고 하는데, 여기로 중질유, 촉매(제올라이트), 증기가 함께 투입됨

- 증기(steam)는 온도를 480℃에서 590℃까지 온도를 올려주는 역할을 함

- 분해반응(creaking)의 대부분은 바로 이 riser에서 순식간에 일어남(반응기 내부가 아님)

- 분해된 탄화수소는 riser를 따라 촉매와 함께 반응기 내부로 유입

- 반응기 내부에는 탄화수소와 촉매의 분리가 발생

- 아래의 공정도에 catalyst stripper가 있는데, 촉매(고체)와 탄화수소(증기)를 원심작용으로 분리시킴

- 촉매는 Regenerator로 빠지고, 탄화수소는 Fractionator로 흘러감

- RFCC에서는 일반적으로 촉매를 제올라이트로 사용함

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RFCC의 공정도

 

02 재생탑 (Regenerator)

- 촉매를 재생하는 곳으로 반응기를 거친 촉매 표면에는 탄소(cokes)가 달라 붙음

- 촉매에 탄소가 붙어있으면 반응성이 떨어지기 때문에 탄소를 제거해 줌 (C+O2 → CO2/CO)

- 재생탑 하부로 590℃ 고온 공기가 투입 (공기 중 산소가 촉매 표면에 붙은 탄소를 연소시킴)

- 생성된 연소가스(CO/CO2)와 재생된 촉매는 재생탑 내부에서 원심작용에 의해 분리됨

- 재생된 촉매는 다시 riser로 이동하여 반응에 사용 및 연소가스 배출

- 배출된 고온의 연소가스는 그 열을 재활용하여 reactor에 투입되는 증기(steam) 생성에 사용

 

 

03 정유탑 (Fractionator)

- 끓는점 차이를 이용해 분별증류를 함

- 끓는점에 따라 LPG, 휘발유, 경유, Slurry oil(분해되지 않은 중질유 및 촉매)가 분리

- 슬러리오일(slurry oil)은 CDU에서 나온 중질유와 혼합하여 다시 한번 위 과정을 순환하게 되거나 아니면 clariffied slurry로 분류

- 값싼 중질유를 값비싼 경질유로 만드는 곳

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출처 - 와세님 블로그(wase_life)

 

※ 제올라이트 (Zeolite)

- RFCC 공정에 사용되는 촉매

- 중질유 분해 반응은 제올라이트에서 일어남

- 촉매 파우더는 제올라이트 이외에도 active matrix, filler, binder 등 성분이 있음

- active matrix는 RFCC 공정의 빠른 순환속도를 견디는 데 필요한 물리적 강도를 제공하고 제올라이트 입자를 마모되지 않게 보호함

- 제올라이트 기공에 들어갈 수 없는 탄화수소 분자가 촉매와 반응할 수 있도록 도와주는 역학

- filler, binder는 물리적 강도 향상과 제올라이트, matrix를 잘 붙여주는 접착제 역할을 함

 

'RFCC'의 특징 - 순환

- RFCC 공정의 특징은 순환임 (우선 촉매가 순환)

- 촉매는 반응기(reactor)와 재생탑(regenerator)을 순환하면서 탄화수소를 크래킹하고, 스스로 재생(코크스가 제거)함

- 촉매의 반응성은 꾸준하게 유지될 수 있으며, 이는 값비싼 촉매의 수명을 늘려서 오래 사용 가능함을 뜻 함

- 반응기에서 일어나는 반응(cracking)은 흡열반응이고, 재생탑에서 일어나는 반응(연소반응)은 발열반응

- 즉, 재생탑에서 발생하는 열을 재활용하여 반응기에 사용할 수 있음 (열 효율이 좋음)

 

EX> 재생탑에서 뜨거워진 촉매는 riser로 가서 원료와 합류하면서 열을 제공하고, 뜨거운 CO/CO2 는 열을 회수하여 steam의 온도를 높임(전체공정의 열효율이 좋으며, 고도화 공정을 거친 석유제품은 단순 증류공정을 거친 제품보다 몇 배는 비쌈)

 

불포화탄화수소 / 방향족탄화수소

01 불포화탄화수소 (Olefin)

- 단순 증류를 통해 얻은 가스는 포화탄화수소(paraffin, C-C)로 이루어져 있음

- Cracking을 통해 얻은 가스에는 많은 양의 불포화탄화수소(olefin, C=C)가 있음 (크래킹 과정에서 불포화탄화수소가 생김)

- 불포화탄화수소는 그 쓰임새가 다양하기 때문에 중요한데, 에틸렌은 석유화학 공정의 주요 원료, 프로필렌 및 부틸렌은 알킬레이션 공정(Alkylation Process)의 원료로 사용

 

즉, RFCC는 불포화탄화수소(Olefin)의 주요 생산시설 중 하나임

 

02 방향족탄화수소 (Aromatic)

- RFCC를 통해 얻은 휘발유나 경유는 대체로 방향족탄화수소(Aromatic)의 함량이 높음

- 무거운 중질유에는 많은 방향족 고리가 있는데, Cracking 과정에서 방향족 고리와 그 가지 사이의 결합이 분해됨

- 얻어진 휘발유는 일반 증류를 통해 얻은 휘발유보다 벤젠 함유량이 많고, 높은 옥탄가를 갖게 됨

 

즉, RFCC를 통해 값비싼 양질의 휘발유를 얻을 수 있음

 

'RFCC' 부속 공정

출처 - EnterTravel(enrty님의 티스토리)

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- RFCC 공정은 휘발유, 프로필렌 등의 원료등을 생산하는 주 공정 이외 기타 위성 공정(PRU, MTBE, Alkylation)으로 구성되어 있음

 

01 MTBE 제조 공정 (Methl Teriary Butyl Ether Unit)

- RFCC에서 생산된 C4 Mixture 중 Iso-Butylene에 Methanol을 첨가하여 반응

- 고옥탄 함유 산소 유분인 MTBE 생산

- Octane Booster 역할로 고급휘발유 생산용 및 첨가제로 활용

 

02 Alkylate 제조 공정(Alkylation)

- 황산 촉매 하에 MTBE에서 생산된 C4 Raffinate 중 Butylene(C4=)을 Iso-Butylene(iC4)와 반응시켜 고옥탄 Alkylate 생산

- 생산된 Alkylate Oil은 Gasoline blending component로서 Octane Booster 역할을 함

 

03 Propylene 제조 공정

- RFCC 공정에서 생산된 Mixed C3(프로판20% + 프로필렌 80%)을 원료로 하여 오염물질 제거 후 프로판(C3)과 프로필렌(C3=)로 분리하여 고순도 프로필렌(Min 99.6 vol%) 생산

- CDU 생산 LPG는 성상이 안정적이지 않고 올레핀 함량이 높아 불안정하여, RFCC 공정 후 나오는 LPG 생산이 중요함

- 고순도 프로필렌 기초유분을 수출 혹은 PP(폴리프로필렌) 공정의 원료로 사용

 

04 유황 회수 공정

- Alkylation 공정 촉매역할을 하는 황산 재생/순환 설비

- HDS 공정(탈황공정)에서 제거된 유황을 회수하는 설비

 

END

고도화 공정을 통해 중질유를 값비싼 경질유로 탈바꿈하게 하는 중질유분해시설 'RFCC' 공정에 대해 알아보았습니다. 특히, 프로필렌 제조공정(RFCC 부속 공정)에서 국내 정유사인 S-oil 및 GS칼텍스에서 가장 먼저 주목한 석유화학 공정이라고 합니다. 아무래도 정유 및 석유화학 산업의 사이클이 있다 보니 변동성 헷지를 위한 것으로 보여집니다.

 

중질유분해시설(중질유 유동상 촉매 분해공정) 'RFCC'에 대해 조금이나마 이해와 도움이 되셨으면 좋겠습니다.

 

 

 

 

 

※ 본 내용들은 다양한 사이트에서 관련 내용을 발췌하여 개인 공부용으로 정리했습니다