[석유화학] 석유화학산업의 원료와 제조 공정 총정리 (Feat. 납사 종류, FRN, LNG, CNG, PNG)

 

Intro

 

석유화학산업의 가장 중요한 원료와 공정에 대해 알아보겠습니다.

 

석유화학산업의 원료로는 나프타, 천연가스, 천연가솔린, 액화석유가스 등이 있습니다. 이 중에서 세계적으로 가장 많이 사용되는 원료는 나프타(납사, Naphtha)입니다. 미국과 중동지역 등 산유국들은 주로 천연가스와 액화석유가스를 원료로 사용하고 있습니다.

 

각 원료에 대해 목적 및 특징 그리고 관련 원료는 또 어떤 것이 있는지에 대해 상세하게 알아보겠습니다. 

 

▤ 목차

 

원유의 정제

출처 - GS칼텍스 블로그

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☞ 정유공장에서 원유의 정제는 끓는점의 차이를 이용한 '분별 증류'법으로 진행

☞ 가장 낮은 온도에서 가장 가벼운 성분의 LPG(Liquefied Petroleum Gas)가 분리

☞ 그 뒤로 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 중유 순으로 산출이 됨

☞ 마지막으로 남는 부분이 아스팔트와 같은 무거운 잔류물임

☞ 휘발유처럼 가벼운 성분이 많이 산출되는 원유를 '경질유'라고 함

☞ 아스팔트처럼 무거운 성분이 많이 산출되는 원유를 '중질유'라고 함

☞ 우리 생활에 사용되는 제품의 70% 이상은 석유에서 나옴

 

※ 원유의 품질

- 원유는 가벼운 탄화수소로부터 무거운 탄화수소에 이르기까지 다양한 탄화수소로 구성

- 가벼운 탄화수소가 많은 경질유는 무거운 탄화수소가 많은 중질유에 비해 높은 가격으로 형성 (경질유에서 분별 증류에 의해 생성되는 휘발유의 분량이 많음)

- 원유 중에 포함된 황(Sulfur) 성분의 존재 여부로 품질에 영향을 줌

- 황(Sulfur) 함량이 낮을 수록 좋으며, 경질유가 황 함량이 낮아 품질적으로 좋음

- 단 정유산업 측면에서는 고도화 설비가 갖추어진 정제 시설이 있을 경우 중질유가 유리한 측면이 있음 (한국의 산업 구조)

 

나프타 (Naphtha)

☞ 원유 정제과정에서 생산되는 제품으로 가솔린, 솔벤트 나프타 등을 포함하는 휘발성 석유를 총칭함

☞ 원유를 분별증류(Fractional Distillation)하면 끓는점이 비슷한 여러 종류의 탄화수소를 분리하여 얻을 수 있음

☞ 5~12개의 탄소를 주성분으로 하는 탄소화합물로, 탄소에 개수에 따라 경질나프타(Light), 중질나프타(Heavy)로 구분

☞ 석유의 정제 과정에서 얻어지며, 석유화학의 기초원료나 휘발유의 원료로 사용

☞ 끓는점(분별증류)이 낮은 순서에 따라 LPG 2%, 휘발유 8%, 나프타 18%, 등유 및 경유 35%, 중유(벙커C유) 32%, 아스팔트 및 잔사유 5% 의 석유제품이 생산됨

☞ 국내는 연간 약 5천 4백만 톤의 나프타 소비를 하며, NCC의 경우 나프타를 수입에 의존함

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√ 경질나프타 (Light Naphtha)

- 끓는점이 100℃ 이하로 주로 용제 및 석유화학 원료로 사용

√ 중질나프타 (Heavy Naphtha)

- 꿇는점이 100℃ 이상으로 휘발유 제조나, BTX(벤젠, 톨루엔, 자일렌) 생산에 사용

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I ECONOMY U / 경질 및 중질 나프타 비교

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√ FRN (Full Range Naphtha)

- 정유사는 석유화학 공정까지 수직계열화된 Complex 를 갖추고 있어 제품 시황에 따라 자사 생산분이 아닌 납사 제품을 자사 석유화학 공정의 원료로 투입함

- 국내로 수입되는 납사가 원료 납사인 FRN(Full Range Naphtha)임

- FRN은 경질, 중질나프타 모두 포함하는 개념의 유분으로 대부분의 석화사 정유사는 이를 NSC(Naphtha Split Unit), Flash Unit 등의 처리공정을 두어 원료 나프타를 관리함

- FRN 중 가장 무거운 유분은 분리 및 재처리 되어 실내 등유 유분으로 사용됨

 

천연가스 (Natural Gas)

☞ 탄소 1개와 수소로 이루어진 메탄부터 탄소가 7개 또는 그 이상인 무거운 탄화수로 이루어진 혼합물

☞ 가스전에서 생산되는 천연가스와, 원유 생산 때 함께 나오는 부수가스(Associated Gas)가 있음

☞ 천연가스를 처리하는 목적은 주로 에탄과 메탄을 함유하는 물질을 생산하기 위함 (추운 지역은 대도시 난방 목적)

☞ 성분 중 메탄보다 무거운 성분인 에탄, 프로판, 부탄 등은 석유화학제품의 원료가 됨

☞ 분자량이 작기 때문에 연소율이 높아 연소 후 물과 이산화탄소 이외의 찌꺼기를 거의 배출하지 않음

☞ 석유 등 다른 화석연료에 비해 상대적으로 깨끗한 연료로 취급됨

☞ 과거 한국 울산 앞바다에서도 이 천연가스가 생산 되었으나 현재는 시추 종료가 된 상황

☞ 저장방법에 따라 LNG, CNG, PNG 로 분류함

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국가별 연단위 천연가스 추출량 (출처 - 나무위키)

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√ LNG (Liquefied Natural Gas, 액화천연가스)

- 우리에게 가장 친숙한 천연가스 중 하나

- 천연가스를 영하 161℃ 에서 냉각하여 액화시킨 것

- 천연가스를 액화하면 부피를 600분의 1 수준으로 줄일 수 있으 저장이나 운반이 용이

√ CNG (Compressed Natural Gas, 압축천연가스)

- 기체 상태의 천연가스를 200기압 이상의 고압으로 압축해 부피를 200분의 1 수준으로 줄인 것

- 주로 자동차 연료로 사용되며, 한국 내 천연가스버스들이 이 연료를 사용

- 연료로 사용 시 냉각과 단열 장치에 필요한 비용을 절감할 수 있어 LNG에 비해 경제적

√ PNG (Piped Natural Gas, 배관천연가스)

- 기체 상태의 가스를 약간의 정화처리를 거친 후 파이프라인을 통해 직접 공급하면 PNG가 됨

- 러시아가 유럽 국가들에게 이런 방식으로 가스를 추출하고 있음

 

천연가솔린 (Natural Gas Liquid)

☞ 가스전 또는 유전에서 천연가스 생산 때 함께 나오는 것으로 흔히 콘덴세이트(Condensate)또는 천연가솔린이라고 함

☞ 분리장치로 분리한 액체 상태인 탄화수소를 천연 가솔린이라고 함

☞ 주로 탄소 5개로 이루어진 펜탄과, 그보다 무거운 중질 탄화수소로 구성되어 있음

☞ 끓는점이 낮고 옥탄값이 높아 겨울용 가솔린에 배합하여 사용

☞ 원료의 다양화 차원에서 석유화학의 원료로 사용됨

√ 콘덴세이트 (Condensate)

- 천연가스 개발과정에서 나오는 초경질유(액체 탄화수소)로 나프타 함량이 약 50% 수준

- 화학조성은 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄과 같은 파라핀 계열의 화합물로 구성

- 지하에 매장시에 기체로 존재, 지상으로 끌어 올리면 액체가 됨

 

액화석유가스 (Liquified Petroleum Gas)

☞ LPG로 불리는 액화석유가스는 유전에서 원유를 생산하거나 원유를 정제할 때 나오는 탄화수소를 비교적 낮은 압력(6~7kg/cn2)을 가하여 냉각 및 액화 시킨 것

☞ 탄소 3~4개로 이루어진 탄소화합물이 섞여있는 혼합물 (프로판, 부탄)

☞ 가정용, 산업용, 자동차용 연료로 쓰이고 석유화학산업의 원료로도 활용

☞ 무색 무취로 독성은 없으나 마취성과 폭발성을 가지고 있음

☞ 액체 상태에서는 물보다 가볍고, 기체 상태에서는 공기부다 무거워 어떤 상태에서든 바닥에 고이기 쉬움 (경보장치 아래에 설치하는 이유)

☞ 최근 원료 경쟁력 강화를 위해 석유화학 업계에서 원료 투입용으로 준비중

☞ 국내 수입 업체는 E1, SK가스이며, 정유사 및 석화사에서도 부산물로 일부 생산됨

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★ [석유화학] 국내외 NCC 원료 다양화 경쟁 (나프타 or LPG)

[석유화학] 국내외 NCC 원료 다양화 경쟁!! 나프타 or LPG ?! (feat. 에탄, 셰일가스)

 

석유화학제품의 제조 공정

☞ 탄소화합물의 탄소 고리를 분해하는 공장을 모체로 하는 산업

☞ 이때 원료로 사용되는 것이 나프타(Naphtha)이며, 나프타를 분해하는 설비를 나프타 분해설비(NCC, Naphtha Cracking Center)라고 함

☞ NCC에서는 탄소 개수가 2개인 에틸렌부터, 프로필렌, C4유분 등의 올레핀류와 방향족 제품(BTX)의 원료가 되는 열분해 가솔린(Raw Pyrolysis Gasoline)이 생산

☞ 나프타 물성에 따라 생산되는 제품의 수율은 다르지만 보통 에틸렌 32%, 프로필렌 16%, C4유분 10%, 열분해가솔린 19%, 메탄/수소/액화석유가스 등의 기타 제품이 23% 생산됨

☞ 나프타 분해는 분해공정 → 급랭공정 → 압축공정 → 분리정제공정 단계 순으로 이루어짐

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나프타 분해 공정 (출처 - YNCC)

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☞ 열분해 공정 (온도는 ↑ 탄소 개수 ↓)

- 나프타를 스팀과 함께 800℃ 이상의 고온 분해로에서 탄소수가 적은 탄화수소 화합물로 열분해 반응시키는 공정으로 고온의 분해가스의 열로 초고압 증기를 생산하고 급냉공정으로 보내짐

- 열분해 공정 공정의 특성상 고온으로 가열하기 위해서는 많은 에너지가 필요하기 때문에 최근에는 효율적인 에너지 사용을 위해 여러 층의 단열재와 코일 설비 등 에너지 저감 및 효율화 기술이 주목받고 있음

 

☞ 급냉 공정

- 분해로에서 나온 고온의 분해가스를 Quench Oil로 1차 냉각하여 중질 연료유(PFO, PGO)를 분리해 내고 Quench Water로 2차 냉각시키는 공정으로 냉각된 물질은 압축공정으로 보내짐

- 분해된 탄화수소끼리 서로 반응하지 못하도록 막을 뿐만 아니라 열분해 가스 내에 뒤셖여 있는 코크와 타르를 분리하며 추후 압축 공정에서의 압출 설비가 오염되는 일을 막고, 흡입 온도를 낮춰 부하를 줄이는 역할을 함

 

☞ 압축 공정 (경제성 ↑)

- 냉각된 분해가스를 경제적으로 분리, 정제하기 위해서 압축기를 이용하여 약 38 kg/㎠G까지 승압시키는 공정

- 산성가스와 촉매의 독성 물질 등 불순물 역시 제거함

- 압축 설비 내부는 5단의 다단 압축 과정을  거치도록 구성되어 있고 각 단계 사이에는 냉각 설비가 있으 압축 흡입온도를 안정적으로 관리해 줌

 

☞ 정제 공정

- 고압으로 압축된 가스를 초저온(-165℃)으로 냉각시킨 후 비점차에 의해 단계별로 각 성분을 분리해 내는 공정으로 수소, 에틸렌, 프로필렌, 프로판, C4유분 및 열분해 가솔린(PG) 등이 생산됨

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★ [석유화학] 나프타, 방향족, 부타디엔의 주요 생산 공정 (기초유분)

[석유화학] '나프타, 방향족, 부타디엔' 주요 생산 공정 (feat. 기초 유분)

 

END

석유화학산업의 가장 중요한 원료와 공정에 대해 알아보았습니다.

 

석유화학산업의 원료로는 나프타, 천연가스, 천연가솔린, 액화석유가스가 있고 그에 대한 특징과 관련 생산 원료에 대해서도 알아보았습니다. 석유화학제품의 원료로서 우리 삶에 많은 도움을 주고 있지만, 반대로 수입국인 우리 나라의 경우 다양한 국제 이슈로 가격 영향을 많이 받아 상승시 어려움을 주기도 합니다. 석유화학산업의 중요한 원료와 제조 공정에 대해 조금이나마 이해와 도움이 되셨기를 바랍니다.

 

 

 

※ 본 내용들은 다양한 사이트에서 내용을 발췌하여 개인 공부용으로 정리했으며, 표, 및 사진의 출처는 각각 표시해 두었습니다.