석유화학 제품의 제조 공정

석유화학산업은 탄소화합물의 탄소 고리를 분해하는 공장을 모체로 하는 산업이다. 이때 원료로 사용되는 것이 납사이며, 납사를 분해하는 설비를“납사분해설비(NCC, Naphtha Cracking Center)”라고 한다. 납사분해설비에서는 탄소 개수가 둘인 에틸렌에서부터, 탄소가 셋인 프로필렌,네개인 C4 유분 등의 올레핀류2)와 방향족 제품(일명 BTX, 벤젠, 톨루엔, 자일렌)의 원료가 되는 RPG(Raw Pyrolysis Gasoline)를 생산하여 석유화학제품의 원료를 공급한다. 납사분해설비에서 생산되는 제품들의 생산수율은 투입되는 납사의 물성에 따라 다르지만, 보통 에틸렌 31%, 프로필렌 16%, C4유분 10%(부타디엔 원료),RPG(벤젠, 톨루엔, 자일렌 원료) 14%, 메탄·수소·LPG 등 기타제품이 29% 생산된다. 석유화학제품 생산의 기본이 되는 납사의 분해는 다음과 같이 분해공정 → 급랭공정 → 압축공정 → 분리정제공정 단계를 거쳐 이루어진다. 􄤎&#56590;분해공정 분해공정에서는 납사에 열을 가하여 탄소수가 적은 탄화수소로 분해한다.액상원료인 납사와 순환 에탄은 희석 증기(DS)와 혼합된 후, 분해로내에서 약800~850℃의 고온에서 분해된다. 석유화학산업의 모체인 납사분해설비에서는 탄소 개수가 둘인 에틸렌에서부터, 탄소가 셋인 프로필렌,네개인 C4 유분 등의 올레핀류(고리 부분을 이루는 탄소원자들 사이에 이중결합이 있거나, 열린 사슬로 이루어져 있는 탄소원자들 사이에 이중결합이 있는 것을 총칭 함)와 방향족 제품(일명 BTX, 벤젠, 톨루엔, 자일렌)의 원료가 되는 RPG(Raw Pyrolysis Gasoline)를 생산하여 석유화학제품의 원료를 공급한다. 􄤎&#56590;급랭공정 이 분해로의 출구물질은 열교환기(Transfer Line Exchanger)를 거치면서 약400℃로 급랭되며, 이 열교환기 출구물질은 냉각유에 의해 약 200℃로 급랭된 후 급랭공정의 가솔린 정류탑으로 보내진다. 급랭공정에서는 분해된 탄화수소끼리 서로 반응하기 못하도록 온도를 낮춘다. 가솔린 정유탑의 탑저에서는 타르를 포함한 열분해 연료유(RFO)가 생성되며, 탑정 가스는 급랭탑으로 보내져 분해가솔린(RPG)과 경질 유분으로 분리된다. 􄤎&#56590;압축공정 분해가스의 경제적인 분리를 위해 압축하여 부피를 감소시키는 공정이다. 분해가스 압축기에 의해 급랭탑 탑정의 경질 유분은 약 36기압까지 압축된다. 이 과정에서 3, 4단 사이에 있는 가성소다 용액 세척탑에서 산성 가스를 제거하고, 압축과정에서 응축된 1, 2, 3단의 탄화수소는 가솔린 정류탑 및 급냉탑으로 보내지며, 5단 출구로부터 나온 분해가스는 프로필렌 냉매에 의해 15℃까지 냉각되어 응축물 제거 후 건조기로 투입된다. 􄤎&#56590;냉동공정 압축기 토출 가스는 건조기에서 수분이 제거된 후 저온 회수 공정으로 들어간다. 수분이 제거된 기체는 프로필렌 냉매 및 에틸렌 냉매에 의해 단계적으로 냉각되어 응축물이 분리되며, 응축물은 탈메탄탑으로 보내져 탑정으로 메탄을 분리하게 되고, 나머지 경질유분은 탑저로 분리된다. 저온 회수 공정에서 분리된 수소가스 중 일부는 고순도로 정제되어 아세틸렌과 프로파디엔 전환 반응기의 수소 첨가용으로 사용되고 나머지는 DPG Unit과 C4 수첨 Unit 및 연료로 사용하게 된다. 탈메탄탑 탑저 생성물인 메탄가스는 저온 회수과정에서 가열된 후, 연료 가스로 사용되고 일부는 액체 상태로 인출되어 저온 냉매로서 탈메탄탑으로 순환된다. 탈메탄탑 탑저 생성물은 압축기 출구 가스와 열교환하여 가열되어 탈에탄탑으로 보내진다. 􄤎&#56590;분리정제공정 마지막으로 분리정제공정을 거쳐 생산되는 에틸렌과 프로필렌은 바로 유도품생산공정으로 가고, C4유분과 RPG는 추가로 추출/정제하는 공정을 거쳐 부타디엔과 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등 유용한 석유화학 기초유분을 생산한다. 이중 에틸렌과 프로필렌, 부타디엔은 상온에서 기체이기 때문에 일반인들이 실체를 보기 어렵고, 벤젠, 톨루엔, 자일렌은 액체로 자동차 휘발유에도 포함되어 있고‘신나’라는 이름의 용제로도 사용되어 흔하게 볼 수 있다. 이하 석유화학 최종제품은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌과 같이 기초유분 하나만을 가지고 중합반응을 통해 만들어지기도 하고, 스티렌모노머와 같이 기초유분 두개(에틸렌과 벤젠)를 반응시켜 만들기도 하며, AN이나 PVC처럼 다른 화학제품과의 반응을 통해 만들기도 한다. 이때 반응은 주로 열과 촉매(자신은 반응에 참가하지 않으면서 반응개시를 도와주는 화학물질)에 의해서 진행되는데, 보통반응온도는 200~300℃ 수준이다. ※석유화학공업협회에서 발췌한 자료입니다.   석유정제공정은 분별증류(Fractionation)를 이용하는데 원유를 증류해 비점에 따라 가솔린, 등유, 경유, 중유와 같은 유분(Petroleum Refining Fraction)으로 나누는 조작으로 분류라고도 불린다. 원유(Crude Oil)를 원유 분별증류장치(Crude Oil Distillation Unit)에 넣고 열을 가하면 Fuel Gas가 배출되고 배출되는 순서대로 함유량과 화학물질은 LPG 2%, 휘발유(Gasoline) 8%, 나프타(Naphtha) 12%, 등유(Kerosene) 9%, 경유(Diesel) 26%, 중유(Heavy Oil) 38%, 기타 5%가 생성된다. 그밖에 각종 윤활유와 아스팔트, 석유코크스가 포함돼 있다. BTX는 NCC(Naphtha Cracking Center)에서 생산된 분해가솔린을 수첨하고 C6-C8 성분만을 추출공정으로 이송시켜 용매를 이용해 방향족 화합물과 비방향족 화합물로 추출 분리하며, 방향족 화합물을 다시 정제공정에서 분리해 생산한다. BTX 추출·정제공정 미국 UOP 기술이 싹쓸이 국내 석유화학기업의 BTX 제조공법은 모두 UOP 공법을 채택하고 있다. BTX 제조공정은 NCC에서 생산된 분해가솔린을 원료로 벤젠(Benzene) 및 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene)을 추출과 증류를 이용해 분리 정제함으로써 생산한다. 1단계는 수첨 반응공정으로 NCC에서 생산된 열분해 가솔린(Raw Pyrolysis Gasoline)과 수소가 제1차 반응탑에 공급돼 Di-Olefin은 올레핀으로, Styrene은 에틸벤젠으로 반응한 후 응축해 고압 분리드럼으로 이송된다. 고압분리드럼에서는 수소가 분리되고 저압 분리드럼에서 Off Gas가 분리돼 에틸렌 라인으로 반송된다