석유화학산업의 원료와 제조공정

석유화학산업의 원료와 제조공정

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1. 석유화학산업의 원료

 석유화학산업의 원료로는 나프타, 천연가스, 천연가솔린, 액화석유가스 등이 있는데, 이 중에서 세계적으로 가장 많이 사용되는 원료는 나프타 이다. 미국과 중동지역 등 산유국들은 주로 천연가스와 액화석유가스를 원료로 사용하고 있다.

 

◈ 원유의 정제

1) 나프타(Naphtha)
 나프타(Naphtha)는 원유 정제 과정에서 생산되는 제품이다. 원유는 여러가지 탄화수소의 혼합물이라서 원유에 포함된 여러 성분의 끓는점이 모두 다르다. 원유를 분별증류(Fractional Distillation) 하면 끓는점이 비슷한 여러 종류의 탄화수소를 분리하여 얻을 수 있다. 원유에 포함된 여러 제품들을 온도에 따라 분리, 회수하는 과정을 ‘원유정제’라고 한다.
 증류탑의 위에서부터, 그러니까 끓는점이 낮은 순서에 따라 LPG 2%, 휘발유 8%, 나프타 18%, 등유·경유 35%, 중유(벙커-C유) 32%, 아스팔트·잔사유 5%의 석유제품이 생산된다. 석유화학산업의 주요 원료인 나프타가 원유정제 과정에서 생산되는 것이다.
 나프타는 5~12개의 탄소를 주성분으로 하는 탄소화합물로, 탄소의 개수에 따라 경질나프타(Light Naphtha)와 중질나프타(Heavy Naphtha)로 구분된다.

2) 천연가스(Natural Gas)
천연가스는 탄소 1개와 수소로 이루어진 메탄부터 탄소가 7개 또는 그 이상인 무거운 탄화수소로 이루어진 혼합물이다. 가스전에서 생산되는 천연가스가 있고, 원유 생산 때 함께 나오는 부수가스(Associated Gas)가 있다. 천연가스를 처리하는 목적은 주로 에탄과 메탄을 함유하는 물질을 생산 하는 것인데, 추운 지역에서는 대도시 난방을 위해 생산되었다. 
이러한 천연가스의 성분 중 메탄보다 무거운 성분인 에탄, 프로판, 부탄 등은 석유화학제품의 원료가 된다.

3) 천연가솔린(Natural Gas Liquid)
 가스전 또는 유전에서 천연가스 생산 때 함께 나오는 것으로, 흔히 콘덴세이트(Condensate) 또는 천연가솔린이라 불린다. 천연가스는 상온·상압에서 액체 상태인 탄화수소를 포함하기도 한다. 분리장치로 분리한 액체 상태인 탄화수소를 천연가솔린이라고 한다.
 성분은 주로 탄소 5개로 이루어진 펜탄과 그보다 무거운 중질 탄화수소로 구성되어 있으며, 원료의 다양화 차원에서 석유화학의 원료로 사용되고 있다.

4) 액화석유가스(Liquified Petroleum Gas)
 흔히 LPG로 불리는 액화석유가스는 유전에서 원유를 생산하거나 원유를 정제할 때 나오는 탄화수소를 비교적 낮은 압력을 가하여 냉각·액화시킨 것으로 탄소 3~4개로 이루어진 탄소화합물이 섞여 있는 혼합물이다. 액화석유가스는 가정용, 산업용, 자동차용 연료로 쓰이고 석유화학산업의 원료로도 활용되고 있다.

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2. 석유화학제품의 제조공정

 석유화학산업은 탄소화합물의 탄소 고리를 분해하는 공장을 모체로 하는 산업이다. 이때 원료로 사용되는 것이 나프타이며, 나프타를 분해하는 설비를 나프타 분해설비(NCC, Naphtha Cracking Center)라고 한다. 나프타 분해설비에서는 탄소 개수가 2개인 에틸렌부터 탄소가 3개인 프로필렌, 탄소가 4개인 C4 유분 등의 올레핀류와 방향족 제품(벤젠, 톨루엔, 자일렌)의 원료가 되는 열분해가솔린(Raw Pyrolysis Gasoline)이 생산된다.
나프타분해설비에서 생산되는 제품의 수율은 투입되는 나프타의 물성에 따라 다르지만, 보통 에틸렌 32%, 프로필렌 16%, C4유분 10%, 열분해가솔린 19%, 메탄·수소·액화석유가스 등의 기타 제품이 23% 생산된다.
석유화학제품 생산의 기본이 되는 나프타 분해는 분해공정 → 급랭공정→ 압축공정 → 분리정제공정 단계를 거쳐 이루어진다.

 

◈ 나프타 분해과정

1) 분해공정
 분해공정에서는 나프타에 열을 가하여 탄소 수가 적은 탄화수소로 분해한다. 액상원료인 나프타와 순환 에탄은 희석 증기와 혼합된 후, 분해로 안에서 약 800~850℃의 고온으로 분해된다.

2) 급랭공정
 분해로에서 나오는 물질은 열교환기를 거치면서 약 400℃로 급랭되며, 열교환기를 나오는 물질은 냉각유로 약 200℃까지 급랭된 뒤 가솔린정류탑으로 보낸다.
 급랭공정에서는 분해된 탄화수소끼리 서로 반응하지 못하도록 온도를 낮춘다. 가솔린정류탑의 아래쪽에서는 타르를 포함한 열분해연료유(RFO)가 생성되며, 탑의 꼭대기에서 나오는 가스는 급랭탑으로 보내 열분해가솔린(RPG)과 경질 유분으로 분리된다.

3) 압축공정
 경제적인 분리를 위해 분해가스를 압축, 부피를 줄이는 공정이다. 급랭탑 꼭대기에서 나온 경질유분은 분해가스 압축기에 의해 약 36기압까지 압축된다.
 이 과정에서 3, 4단 사이의 가성소다 용액 세척탑에서 산성 가스를 제거하고, 압축 과정에서 응축된 1, 2, 3단의 탄화수소는 가솔린정류탑, 급냉탑으로 보내고, 5단 출구로부터 나온 분해가스는 프로필렌 냉매에 의해 15℃까지 냉각되어 응축물을 제거한 뒤 건조기로 보낸다.

4) 냉동공정
 압축기에서 나온 가스는 건조기에서 수분이 제거된 뒤 저온 회수 공정으로 들어간다. 수분이 제거된 기체는 프로필렌 냉매, 에틸렌 냉매에 의해 단계적으로 냉각되어 응축물이 분리된다. 분리된 응축물은 탈메탄탑으로 보내 탑의 꼭대기에서 분리된 메탄을 얻고, 나머지 경질유분은 탑 밑바닥으로 분리되어 나온다.
 저온회수공정에서 분리된 수소 가스 중에서 일부는 고순도로 정제되어 아세틸렌과 프로파디엔 전환 반응기의 수소 첨가용으로 사용되고 나머지는 LPG Unit과 C4 수첨 Unit 및 연료로 사용하게 된다. 탈메탄탑 아래쪽에서 나오는 메탄가스는 저온회수 과정에서 가열된 후, 연료 가스로 사용되고 일부는 액체 상태로 빠져나와 저온 냉매로써 탈메탄탑으로 순환된다. 탈메탄탑 아래쪽의 생성물은 열교환기에서 압축기 출구가스로 가열하여 탈에탄탑으로 보내진다.

5) 분리정제공정
 마지막으로 분리정제공정을 거쳐 생산되는 에틸렌과 프로필렌은 바로 유도품 생산공정으로 가고, C4유분과 열분해가솔린은 추가로 추출·정제공정을 거쳐 부타디엔과 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등 석유화학 기초유분의 원료가 된다.
 이 중 에틸렌과 프로필렌, 부타디엔은 상온에서 기체이기 때문에 일반인들이 실체를 보기 어렵다. 벤젠, 톨루엔, 자일렌은 액체로 자동차 휘발유에도 포함되어 있고 ‘신나’라는 이름의 용제로도 사용되어 흔하게 볼 수 있다. 석유화학 최종 제품은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 등의 기초유분 하나를 중합반응시켜 만들기도 하고, 스티렌모노머처럼 기초유분 두 개(에틸렌과 벤젠)를 반응시켜 만들기도 한다. 아크릴로니트릴이나 PVC처럼 다른 화학제품과의 반응을 통해 만들기도 한다.
이때 반응은 주로 열과 촉매에 의해서 진행되는데, 보통 반응온도는 200~300℃ 정도이다.

< 참 고 내 용 >

1. 2022.07.07 - [시험정보/화학공학 자료] - 석유화학산업의 특징

2. 2022.07.07 - [시험정보/화학공학 자료] - 주요 석유화학 제품 정보 안내

출처 : 한국석유화학협회(석유화학으로 만드는 세상)