원유의 조성과 개념

[피쉬]

원유의 조성

원유의 조성은 유전의 위치나 차이에 따라 각양각색이다.
일반적으로 주성분이 탄화수소이며, 그밖에 약간의 질소, 유황, 산소 등의 화합물이나 극소량의 금속화합물을
함유하고 있다.
탄화수소란 그 조성이 탄소와 수소만으로 된 화합물로써 유기화합물의 모체를 이룬다.
탄화수소는 다음과 같이 분류된다.

탄화수소 ━┳━사슬형━파라핀, 올레핀계, 아세틸렌계, 디올레핀계
                ┗━고리형━납센계, 방향족

1)석유의 물리적 특성

가. 비중
석유는 산출되는 유전에 따라, 또 매장된 지층에 따라 성상에 차이가 있다. 일반적으로 석유는 독특한 냄새를
풍기는 물보다 가벼운 암녹색 또는 흑갈색의 액체로써 비중은 0.65 - 0.95정도이다.
보통 비중은 섭씨 4도의 물에 대한 섭씨 15도의 석유질량의 비 (15/4℃) 또는 화씨 60도의 물에 대한 화씨 60도의 석유질량의 비(60/60℉)로 나타낸다.
일반적으로 비점범위가 같을 때는 파라핀계 < 납센계 < 아로마틱계 의 순으로 비중이 높아진다.

나. 비등점(BOILING POINT)
석유의 물리적 성질중에서 가장 중요한 것은 비등점이다.
석유는 여러가지 탄화수소의 혼합물로 되어 있기 때문에 단일 물질과는 달리 일정한 비등점은 없고,
일정한 증류범위를 갖고 있는데, 일반적으로 비중이 가벼운 석유일수록 저비등점의 성분이 많으며,
일정한 온도범위에서 유출되는 성분의 양은 유종에 따라 다르다.
원유를 정제할때 최초의 공정은 이 증류범위의 구분에 따라 원유중의 경질성분과 중질성분을 나누어 취득하는
증류작업이며, 다른 석유정제의 대부분의 공정에도 이같은 공정이 부수되어 있다.

다. 점도
점도는 유체가 움직일때의 내부 저항을 뜻하는데, 석유제품의 성질로써 중요시되어 분류항목의 기본이라
할 수 있다.
석유류의 점도는 일반적으로 비중과 온도에 따라 변화하며, 비중이 클수록 점도는 커지지만 동일비중의 것이라도 그 성분에 따라서는 반드시 동일점도를 나타내지는 않는다.
동점도는 센티스토크(cSt) 단위로 표시하며 1 cSt = 1 ㎟/sec 관계가 있다.
또한, 측정온도도 기재되어야 한다.(예, 250 cst ⓐ50 ℃)

라. 응고점

마. 발열량
순수한 탄화수소는 중량을 기준으로 비중이 클수록 발열량이 작고, 수소함유량이 클수록 발열량은 커진다.
발열량에는 총발열량(Gross)과 순수발열량(Net)이 있으며, 이것은 연소에 의해 조성된 물이 수증기 상태에
있는가, 액체상태에 있는가에 따라 생성된 물의 증발 잠열까지 가산하면 총발열량이고, 생성된 수증기가
응축되지 않고 배출되었을 때는 그잠열이 계산되지 않음으로 순발열량이라 한다.
순발열량의 측정은 총발열량을 측정하는 동시에 수소함유량을 별도로 측정하여 연소시 조성된 물(수증기)의
양을 계산해야 한다.
발열량은 보통 파라핀계석유가 발열량이 높고, 올레핀계, 나프텐계, 방향족의순으로 나타난다.
Qn(Kcal/kg) = QG(Kcal/kg) - 50.68 ＊ H (mass%)

2)석유의 화학적 성질

가. 파라핀계 탄화수소(분자식 : CnH2n+2)
- 노말파라핀 : 탄소와 탄소가 선형으로 연결된 사슬형 파라핀.
메탄(1), 에탄(2), 프로판(3), 부탄(5), 펜탄(5), 헥산(6), 헵탄(7), 옥탄(8), 노난(9), 데칸(10)
- 이소파라핀 : 사슬형 파라핀의 탄소가 가지를 친 파라핀. (이소부탄)
이들 파라핀은 비교적 안정적이어서 가혹한 조건하에서 또는 특정 촉매를 사용하여야만 화학적인 변화를 받는다.
부탄까지는 상온에서 기체이며, 펜탄부터는 액체이다.
탄소수가 증가할수록 파라핀의 이성체는 (lsomeer)는 급격히 증가하며 탄소수가 12개이면 파라핀 이성체는
이론적으로 355개가 존재할수 있다.

나. 납센계 탄화수소(분자식:CnH2n)
고리형 구조를 가지고 있으며 앞쪽에 싸이클로(CYCLO-)를 붙여 명명한다.

다. 아로마틱계 탄화수소(C10H8 또는 C14H10)
6각형 구조를 가지고 있으며 가장 간단한 물질은 탄소수 6개인 벤젠(Benzene)이다.
방향족물질중 가장 간단한 물질들은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등이며 이들은 중요한 석유화학원료로 사용된다.
납센을 탈수소하면 수소를 방출하면서 아로마틱물질이 생성되는데 이 반응은 고온에서 촉매의 존재하에서
이루어진다.

라. 올레핀계 탄화수소(불포화탄화수소, 분자식:CnH2n)
올레핀은 파라핀족의 탄소와 탄소간의 연결결합중 한개가 이중결합으로 존재하는 탄화수소이며, 반응성이
매우 높은 화학물질로써 수소를 첨가하면 파라핀으로 변환한다.
올레핀중 가장 간단한 물질은 탄소수 2개인 에틸렌으로 보통 석유화학에서 납사를 고온에서 열분해하면 얻을 수 있다.
에틸렌은 반응성이 우수하여 각종 석유화학제품의 합성원료로 사용되고 중합반응에 의하여 고분자 물질인
폴리에틸렌을 생성한다.

(2) 원유의 분류

1)API도에 의한 분류

원유는 API비중에 따라 重質원유, 中質원유, 經質원유로 구분된다.
API 30 이하 : 重質원유(이라니안헤비, 챔피언, 유화 등) (0.8762이상)
API 30 - 34 : 中質원유(마질라, 라부안, 아라비안라이트, 다찡, 오만 등) (0.8762-0.8545이상)
API 34 이상 : 經質원유(머반, 빈투루, 어퍼자쿰, 쿼터랜드 등)
API도와 비중과의 관계식은 다음과 같다.
API = 141.5

--------------------------------------------------------------------------------

비중(60/60℉) - 131.5

2)화학적 성분에 의한 분류

가. 파라핀기 원유
이 원유는 성분중에 파라핀계 탄화수소가 많아 휘발유의 옥탄가는 낮으나, 경유분의 세탄가는 높다.
중유분은 비교적 응고점이 높아 WAX 성분을 제거함으로써 고품질의 윤활유를 제조할수 있다.
아라비안라이트, 펜실베니아원유, 대경원유등이 이에 속한다.

나. 납센기 원유
이 원유는 성분중에 납센계 탄화수소를 비교적 많이 함유하고 있고, 아스팔트분이 많기 때문에 아스팔트기
원유라고도 부른다.
이 원유로 제조한 휘발유분은 옥탄가가 높은 반면에 경유분의 세탄가가 낮다.
캘리포니아원유, 이라니안헤비등이 이에 속한다.

다. 중간기 원유
위 2개 원유의 중간성상의 원유이며 중동산 원유 대부분이 이에 속한다.

3)황함량에 의한 분류

1% 이하인 것 : 저유황 원유(마질라, 머반, 라부안, 빈투루, 다찡, 챔피언, 유화 등)
1%-2% 인것 : 중간(쿼터랜드, 오만, 이라니안헤비, 아라비안라이트 등)
2% 이상인 것 : 고유황 원유(포로잔, 아라비안미디움 등)

원유의 개념

(1) 증류(DISTILLATION)

① 석유제품은 각종 탄화수소의 혼합물로 그 탄화수소는 각각 고유의 비등점(BOILING POINT)을 갖는다.
일반적으로 분자량이 큰 것일수록 비등점이 높고 분자량이 작은 것일수록 비등점이 낮다.
석유정제는 이 비등점의 차이를 이용하여 원유를 몇 가지의 유분으로 분리하여 제품으로 만드는 것이다.
따라서 분별된 각 유분은 어느정도의 비등점 범위를 갖는다.
이 비등점 범위를 나타내는 것이 증류성상인데, 일정 유분마다 증류온도를 기록하면 유분과 온도의 관계로부터
석유제품에 대한 하나의 성질이 명확해진다.
증류곡선은 열을 가한 경우에 유출하는 양과 온도와의 관계를 나타낸 것으로 이로써 비등점의 범위
(비등점분포)를 알 수 있다.

② 의의
자동차용 휘발유의 경우 10%의 유출온도는 엔진 시동성과 관계있는데 너무 고온이면 저온에서의 시동성이 곤란해진다.
50%의 유출온도는 가속성과 관계가 있는데, 너무 고온이면 가속하는데 시간이 걸린다.
90%의 유출온도가 너무 높으면 크랭크케이스내의 윤활유가 희석되기 쉽고 또한, 실린더의 경우는 각 실린더내의 연료분배가 불균일해져 엔진의 성능이 저하되는 하나의 요인으로 된다.
반대로 90%유출온도가 너무 낮으면 출력저하를 일으킨다.
등유(등화용, 난방용)의 경우는 양호한 연소성을 확보하기 위해 고비등점 성분의 함유를 규 하는 의미에서 95%의 유출온도가 규정된다.
자동차용 디젤연료(경유)의 경우 90%유출온도가 너무 높으면(고비등점 성분을 많이포함) 연소실의 오염이 증가함과 동시에 노즐주변에 카본의 부착이 많아져서 연료의 무화불량을 초래한다.
용제류의 경우 도료용 용제등에서는 건조성을 아는 하나의 척도가 되는 외에 단일한 탄화수소를 주성분으로 하는 것에 있어서는 그 비등점 범위로부터 순도를 추정할 수 있다.

(2) 증기압(VAPOR PRESSURE)

① 증기압시험은 휘발유등의 제품에 대해 37.8℃에 있어서의 증기압을 시험하는 방법으로 시료를 규정된
밀폐용기 내에서 증발시켜 액체와 증기와의 압력이 평형상태로 되었을 때의 증기압을 말하고, REID가 고안한
시험기를 이용하기 때문에 리이드증기압(REID VAPOR PRESSURE)이라고 부른다.

② 의의
증기압은 제품의 수송과 저장의 안전성을 측정하는 수단이 되는 이외에 실용성능을 측정하는 하나의 척도가 되기도 한다.
즉, 자동차에 있어서는 증기압이 너무 높으면 증기폐쇄의 원인으로 되어 출력저하 및 엔진정지를 일으킨다.

(3) 현존검, 잠재검 및 유도기간(EXISTENT GUM, POTENTIAL GUM & INDUCTION PERIOD)

① 휘발유등과 같은 경질연료유는 휘발성이 비교적 높지만 이것을 상당한 고온으로 가열하고 게다가 공기와 수증기를 내뿜어 강제로 증발시키면 미량의 불휘발성 잔류물을 볼 수 있는 경우가 있다.
이 불휘발성 잔류물을 검(GUM)이라고 한다.
이 검에는 처음부터 포함되어 있는 것과 저장하는 중에 생성되어 나오는 것이 있는데 전자를 현존검이라고 하고, 전체의 검량을 잠재검이라 한다.
저장하는 중에 검생성에 대한 척도로써 자동차용 휘발유에서는 유도기간을, 항공유에서는 잠재검을 각각 측정한다.

② 의의
휘발유를 구성하는 탄화수소에는 이중결합과 삼중결합을 갖는 불포화탄화수소를 포함하는 경우가 있는데, 이들 화합물은 공기에 접속하면 산화중합을 일으킨다.
또한 이 작용은 금속과의 접촉에서 자극되어 휘발유 불용해성 TAR 형태의 검을 석출한다.
이 검은 고열부에 접하여 라커를 일으키고 휘발유탱크, 기화기노즐, 흡입밸브 등에 침적하여 각종 장해를 일으킨다.
현존검은 사용시의 검량을 나타내며 또한 잠재검과 유도기법은 휘발유 및 제트유의 저장 안전성을 평가하는 척도로서 규격에 도입되고 있다.

(4) 발열량( HEAT OF COMBUSTION)

① 연료는 모두 에너지원으로 이용되고 있기 때문에 그 발열량의 값은 중요한 성상의 하나이다.
발열량에는 총발열량과 순발열량 2종류가 있다. 연료를 연소시킨 경우에 생기는 물(수증기)은 잠재열을 갖고 있어 액화할 때 그 열을 방출한다.
그러나 보통 연소상태에서 물은 수증기의 상태로 날아가 버리므로 그 잠재열은 이용할 수 없다.
총발열량은 연료가 연소하여 생성된 수증기의 잠재열(기화열)도 가산한 것이고, 순발열량은 생성된 수증기가 응축하지 않고 배출된 경우의 값으로 그 잠재열의 열량만큼 작은 값을 나타낸다.
내연기관에서 배기가스의 온도는 수백도이기 때문에 이 잠재열을 이용할 수 없으므로 순발열량을 기준으로 하며 그 이외에는 보통 총발열량의 값으로 나타낸다.

② 의의
발열량은 규정된 발열량 측정 장치에서 측정되는데 이 경우에는 물의 잠재열을 포함한 총발 량이 측정되며,
일반적으로 발열량이라고 하면 이것을 가리킨다.
방열량은 연료유가 갖는 에너지를 평가함에 있어 가장 중요한 의의를 갖는데 일반적으로 질량에 대한 발열량(Kcal/kg)으로 표시되나 때로는 용량에 대한 발열량(Kcal/L)을 요구하게 되는 경우도 있다.
항공유는 항공기에 적재하는 연료의 중량이 문제시되고 육상용과 차량등의 연료에서는 통상 용량단위로 상거래를
하기 때문에 질량에 대한 발열량보다는 오히려 용량에 대한 발열량이 문제시된다.
일반적으로 비중이 큰것일수록 질량당 발열량은 낮아지고 또한 수소함유량이 큰 것일수록 은 발열량을 나타낸다. 그러므로 파라핀계가 가장 높고 다음에는 납센계, 방향족이다.

표) 석유제품의 발열량


(5) 옥탄가(OCTANE NUMBER)

① 옥탄가는 휘발유의 실용성능을 평가할 때 가장 중요시되는 척도 중 하나이다.
자동차가 최고기어의 상태에서 급한 경사를 오르다가 속도가 떨어진 때라든가 저속에서 가속할때 엔진이 일종의 금속음을 내며 출력이 급격이 저하하는 일이 있다.
이것을 녹킹(KNOCKING)이라고 하는데 실린더 온도를 급상승시키고, 경우에 따라서는 엔진고장을 일으킨다.
녹킹 현상은 엔진구조 및 운전조건에 의하기도 하지만 특히 연료의 성분 및 성상에 의하는 일이 많다.
이 녹킹을 일으키기 어려운 성질 즉 안티녹크성의 정도를 나타내는 척도로써 옥탄가가 표시된다.

② 의의
옥탄가는 자동차용 휘발유의 엔진녹크성을 나타내는 척도로서 이 안티녹크성은 그 연료의 분인 탄화수소계의
화학구조와 밀접한 관계가 있다.
일반적으로 측쇄가 많은 이소파라핀계 탄화수소와 방향족계 탄화수소는 안티녹크성이 높고, 직쇄 형태의 노말파라핀 탄화수소는 낮다.
압축비와 옥탄가와의 사이에는 깊은 관계가 있어 고출력화를 위한 압축비가 높은 엔진에서는 그 압축비에 적합한 옥탄가의 가솔린을 선택할 필요가 있다.
옥탄가 측정법에는 엔진의 운전 조건에 따라 리서치법과 모터법이 있는데 리서치법은 저속 및 가속시에 있어서의 안티녹크성을 표시하고, 모터법은 고속시에 있어서의 안티녹크성을 표시한다.
전자는 엔진 회전수로서 매분 600회전, 후자는 매분 900회전으로 되며 후자는 전자에 비해 일반적으로 낮은 값을 나타낸다.
KS에서는 자동차휘발유 옥탄가는 리서치법으로 규정되어있다.

(6) 세탄가(CETANE NUMBER)

①세탄가는 디젤연료의 실용성능을 평가할 때 중요시되는 척도의 하나이다.
디젤엔진은 가솔린엔진과 같이 불꽃점화방식이 아니라 실린더내 고압력으로 압축열에 의해 점화되는 압축착화(자연착화) 방식이다.
그래서 연료분사로부터 자연착화하기까지 시간지연이 발생한다.
이것을 가솔린엔진의 경우와는 반대로 착화지연이라고 하여 연료, 엔진구조, 운전조건에 영향을 준다.
이 착화지연이 커지면 엔진은 시동이 곤란해져 분사된 연료는 원활한 연소를 하지 않고, 연소에너지가 이상하게 집중하는 결과 디젤노크를 일으킨다.
세탄가는 디젤연료의 자기착화성을 나타내는 척도로써, 착화지연으로 인해 일어나는 디젤노크 발생의 곤란함을 나타내는 것이다.

② 의의
고속 디젤기관이 발달함에 따라 연료유의 착화성이 중요시되고 있다. 일반적으로 노말파라핀계 탄화수소는
세탄가가 높고 납센계는 중간, 그리고 이소파라핀, 방향족 및 올레핀계는 낮다.
세탄가가 높은 연료일수록 착화성이 좋은데, 이른바 불붙기 쉬운 연료로 되어 착화지연은 적어진다.
따라서, 디젤녹크를 일으키는 일도 없고, 기관의 운전은 원활해져 출력시동도 양호해짐에 따라 연료소비량은
적고 매연도 적어진다.
그러나 너무 높으면 피스톤이 상사점에 이르기도 전에 착화 연소해버려 역으로 열효율의 저하를 초래하므로,
고속디젤기관에서는 일반적으로 세탄가가 45-60정도가 적당하다.
디젤연료의 착화성은 세탄가를 실측하여 평가하는데, 최근에 와서는 그 연료의 비중과 증류성상의 10%, 50%, 90% 유출온도로부터 계산에 의해 획득되는 하나의 값이 그 연료의 세탄가와 상관관계가 있는 것이 확인되어 계산에 의해 표시하고도 있는데, 이를 세탄지수(CETANE INDEX)라 한다.
또한 세탄가에 거의 근접하는 값을 나타내어 디젤연료의 자기 착화성을 측정하는 수단으로 디젤지수가 있는데 다음식에 의해 구해진다.
D I= A * G / 100
여기서 D I: 디젤지수, A : 아닐린점(℉) G : API도

[feel so good]

잘 봤습니다. 감사합니다

[SIXMAN]

눈에 확 들어는 일목요연 한 정리 수고 하시구요 감사드립니다

[James33f]

교육 잘 받았습니다. 감사합니다.

[천사단]

피쉬님....좋은글 감사드립니다^^

[동산]

역시! 또 배움니다! 감사 합니다!

[트레버]

좋은 자료 감사^^