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| 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
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輕質원유 : API 34 이상 |
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.
원유 중에 포함된 염분을 제거하는 탈염장치등 전처리과정을 거친후 가열된 원유를 常壓증류탑에 투입하면 증류탑에서는 비등점 차이에 의해 가벼운 성분부터 상부로부터 분리된다.
증류탑으로부터 유출된 유분중의 불순물을 제거하고, 제품별 특성을 충족시키기 위하여 2차처리공정을 거치게 함으로써 품질성상을 향상시킨다.
상압증류 공정이나 2차 처리공정에서 나오는 각종 유분을 각 제품별 규격에 맞게 적당한 비율로 혼합하거나 첨가제를 주입하여 배합한다. |
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 |
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.
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정유공장 공정 소개
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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
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GAS AND GASOLINE FRACTIONATING
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◆ GAS AND GASOLINE FRACTIONATING ◆ |
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1. PURPOSE AND PRINCIPLE OF THE INSTALLATION |
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The purpose of the gas and gasoline fractionating installation is to fractionate the gas + gasoline cut obtained at the top of the atmospheric distillation column. It generally consists of several conventional 2 products distillation columns and the scheme below shows an example of the separation obtained. |
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2. UNIT FLOW SCHEME - OPERATING CONDITIONS |
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A simplified flow scheme of a gas and gasoline fractionating unit it shown in Figure 6. Prior of this unit, a hydrogen catalytic desulfurizing installation converts the sulfur present in the atmospheric distillation gas + gasoline cut into volatile hydrogen sulfide (H2S) and it is then largely eliminated in the acid gas. |
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2.1 Gasoline Stabilization |
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The initial separation is carried out in a gasoline stabilization column or debutanizer which separates the gas + gasoline cut into gas(C4 and more volatile products) obtained at the top of the column, and into stabilized total gasoline which is removed from the bottom of the column. |
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2.2 Gas Fractionating |
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The gas is cut subsequently fractionated in the deethanizer and the depropanizer. |
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2.3 Gasoline Fractionating |
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The stabilized total gasoline obtained at the bottom of the debutanizer is circulated to the gasoline fractionating column (gasoline splitter) where light gasoline is obtained at the top and heavy gasoline at the bottom. The operating pressure of this column is slightly higher than atmospheric pressure (around 1.5 bars). |
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2.4 Quality of the Cuts Obtained |
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The quality of the products obtained is controlled by the following standard tests: |
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