정유공장 공정 소개

정유공장 공정소개 (방원규 / 한화에너지(주) 정유1부 부장)

1. 개 요

국내 에너지원의 약 55%를 차지하는 원유(PETROLEUM)는 대부분 수소와 탄소를 이루어진 HYDROCARBON이라 불리는 화학물질의 복잡한 혼합물로써 매장된 지역(유전)의 특성과 긴밀한 관계가 있다.

보통 진갈색 빛을 띠고 있으며, HYDROCA RBON이외에 유황분, 산소, 질소, 중금속, 기타 염분, 물 등이 전체 원유에 약 3%정도 섞여 있게 된다.

정유공장(REFINERY)은 각각의 원유에 함유된 HYDROCARBON의 끓는점을 이용하여 1차적으로 분리(SEPARATION)한 후 물성에 맞도록 화학반응을 시켜 반응생성물을 다시 분리해 내는 공정과 그에 필요한 유용물(UTILITY)시설을 총칭하는 시설을 일컫는 말이다.

현재 가장 일반적으로 사용하는 분리방법은 증류(DISTILLATION)이며, 증류점이 각기 다른 혼합물을 가열한후 분리의 효율성을 높이기 위해 탑(TOWER) 내부에서 기체와 액체를 충분히 접촉시켜, 일정한 온도 구배를 형성하도록 하므로써 끓는점에 따라 각 유분을 분리하고 있다.

일반적으로 원유정제공정에서 1차로 증류된 유분은 다음과 같다.

- LIGHT ENDS (LPG이하의 경질한 가스분) - NAPHTHA (나프타분) - KEROSENE (조등유분) - GAS OIL (LIGHT/HEAVY분) - ATMOSPHERIC RESIDUE (상압 잔사유)

일반적으로 공기, 인화성 물질, 착화원의 3요소가 갖추어지게 되면 언제나 발화의 가능성이 있는데, 정유공장내에서는 인화성 물질을 분리하기 위해 끓이게 되므로 HYDROCARBON이 누출시에는 대형 화재/폭발의 위험성을 내포하고 있다.

따라서 부식/침식 방지를 위한 세심한 조절 및 점검이 필요하며, 분리공정을 안정적으로 운전하기 위해서는 압력, 온도, 유량의 적절한 조절과 시설의 설계된 재질에 따른 적정한 운전조건의 유지가 필수적이므로 CONTROL SYSTEM(자동제어)과 안전장치(INTERLOCK SYSTEM)의 관리가 가장 중요하며, 반응공정의 과잉폭주 반응으로 인한 운전온도와 압력의 상승을 방지하기 위한 세심한 배려가 요망된다.

2. 공정 개요도
 

3. 공 정 소 개

가. 상압증류공정 (CRUDE UNIT)

정유공장의 첫번째 공정으로서 공장으로 유입되는 모든 원유는 상압증류공정을 거치면서 각 유분으로 분리된다.

유전에서 생산된 원유속에 염분(NaCl)이 포함되어 있으며, 공정내 부식을 최소화하고, 후속공정에 있는 촉매를 보호하기 위해서 탈염조 전단에 물과 혼합후 정치시켜 스러지와 같이 제거된다.

탈염된 원유는 각 유분과 열교환되어 가온되며 가열로에서는 상압증류탑에서 비등한 가스와 납사는 상부로 올라가며, 등유(KEROSENE)와 하나 이상의 증류된 가스오일(GAS OIL)은 탑중간부를 빠져나와 낮은 비점의 물질을 제거후 분리해 낸다. 증류탑 하부 배출물 (ATMOSPHERIC RESIDUE)는 감압증류공정을 거쳐 아스팔트 또는 COKER공정으로 보내지거나 연료유(BUNKER-C)로 생산된다.

나. 가스회수공정 (LIGHT ENDS UNIT)

가스회수 공정은 상압증류탑 탑정에서 나오는 가스 및 납사와 촉매접촉공정, 탈황공정, COKER 공정 등으로 부터 회수되는 가스분중에서 프로판 및 부탄을 정제한후 처리하기 위한 공정이다.

이 공정에서는 상업화가 어려운 소량의 불활성가스 및 메탄, 에탄을 분리한 후, 프로판과 부탄을 분리하며 부탄이 제거된 납사는 촉매개질(CATALYIC REFORMING) 공정을 위해서 경질납사(C5 & C6)를 분리하게 된다.

다. 감압증류공정 (VACCUM DISTILLATION UNIT)

상압증류탑에서 비등되지 않고 하부로 배출된 잔사유는 가열로에서 가온되어 증류탑의 증발 구역에서 감압되어 경질감압 가스오일(LVGO)과 중질감압 가스오일(HVGO)은 탑중간부를 빠져나오며, 하부로 배출된 감압잔사유(VACCUM RESIDUE)는 공정 운전조건에 따라 직접 아스팔트로 생산되거나 DELAYED COKER 공정으로 보내지게 된다.

라. DELAYED COKER 공정

COKER공정은 ULTIMATE, PARTIAL RECYCLE과 DELAYED COCKING 등의 세가지로 분류되며, COKER 가스오일이 순환하여 소모될때까지 상대적으로 높은 운전압력에서 운전한다.
COKER 수율과 제품성질은 사용하는 운전조건뿐만 아니라 처리유종의 특성과 SOURCE에 달려 있다.
증류부분에서는 COKING 반응에서 형성된 증류제품이 회수되어 상부에서는 가스와 납사분이 회수되며 탑 중간부를 통해 탈황공정으로 보내지게 되며 탑저로 COKES를 생산하게 된다.
보통 고온으로 처리하기 때문에 제품의 열분해(THERMAL CRACKING)가 생겨, 큰 구조의 탄화수소가 작게 분리되며 탑저로는 분자량의 큰 탄소가 COKES로 배출된다.

마. 촉매 개질 공정 (CATALYTIC REFORMING)

이 공정은 오늘날 석유와 석유화학 산업에서 폭넓게 사용되는 공정이며, 가솔린의 옥탄가를 향상 시킨다. 다른 공정으로 부터 회수된 가솔린 영역의 물질들은 상대적으로 정해진 옥탄가를 가지고 있으나, 촉매 개질 공정은 옥탄가를 낮게는 90에서 높게는 100에 이르기까지 효과적으로 향상 시킬 수 있다. 또한 이 공정에서는 반응기내에서 탈 수소화반응(DEHYDROGENATION), 수소화 분해반응(HYDROCRACKING), 이성화반응(ISO-MERIZATION) 및 환상화 반응(CYCLIZATION)이 일어나게 되며, 정유공장 수소(H2) 생산의 주요한 제공원이다.

바. 탈황공정 (DESULFRUIZATION UNIT)

황은 거의 모든 원유에 들어있는 성분이며, 황화수소, 머캅탄과 유기황 화합물을 포함한 다양한 황화합물과 다양한 양으로 존재한다. 이 화합물들은 수소와 혼합될 경우 부식의 증가, 공기에 유출될 경우에는 유독성을 가지며, 제거가 되지 않을 경우 촉매공정의 효율저하 및 환경을 오염시키게 된다. 따라서 공정에 수소를 첨하므로써 H2S로 만들어 기체상태를 제거하게 되며, 제품에 포함된 유기질소를 암모니아 형태로 전환되어 물세척(WASH WATER)에 의해서 제거한다.

사. 유황회수공정 (SULFUR PLANT)

탈황공정에서 오는 기체에 함유된 황화수소(H2S)는 아민류와 같이 재생 가능한 산성기체인 특정 반응물에 의해 가스로 부터 제거하며, 제거된 황화수소는 유황회수공정(SULFUR PLANT)에서 폐산성가스중 유화수소로 부터 연소조절장치를 통해 산화나 연소로 H2S와 SO2의 적정 비율을 유지하기 위한 95∼98%의 액체 또는 고체유황을 회수하게 된다.

아. FCC공정 (FLUID CATALYTIC CRACKING)

촉매화 분해반응은 중질제품에 비해 보다 많은 경질제품을 생산하기 위해 사용하는 반응이며, FCC공정에 감압가스오일, 상압잔사유, 기타 중질유분 등에 공정에서 재순환되는 유체와 합쳐져 반응기에서 온도와 촉매/탄화수소의 비율 등을 조절하여 원하는 분해반응을 시킨후 주 증류탑에서 각 유분으로 분리시켜 후속공정으로 보내지게 된다.

자. MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether)

휘발유에 포함된 산소요구량의 증대를 목적으로 메틸알콜(MeOH)과 FCC공정에서 생산되는 올레핀으로 부터 생산되며, 휘발유의 옥탄가를 상승시키게 된다.

차. 기타시설 (UTILITIES)

정유공장을 운영하기 위해서는 다음과 같은 시설이 필요하다.
1) 탱 크 - 원유, 중간제품, 완제품, 용수, 부자재 등
2) 유틸리티 - 전력, 스팀생산설비, 공기, 연료, 냉각수, 질소, 소방설비 등
3) 원유 및 제품 입·출하 설비 - 부두, 출하대, 제품이송설비 등
4) 오염방지시설 - 집진설비, 폐수처리시설, 폐기물 소각로 등