상압(常壓) 정류공정: Crude Distillation Unot

 상압(常壓) 정류공정: Crude Distillation Unot

정유공장에서 가장 규모가 큰 공정은 뭘까? 정유공장의 사진을 보자.

 위 사진은 GS칼텍스의 정유공장이다. 사진을 보면 높게 솟아오른 탑들이 우선 가장 먼저 눈에 띄는데, 이것들은 바로 증류탑이다. 정유공정에서 그 어떠한 공정보다 많은 양의 원유를 처리 하고 있다. 오늘은 석유정제공정의 첫번째 관문, CDU를 구체적으로 알아보는 시간을 갖도록 하겠다.

현대오일뱅크 정유공정의 처리능력. CDU에서 다른 공정보다 더 많은 양의 원유를 처리하는 것을 알 수 있다.

CDU의 공정도

1. 탈염기 (Desalter)

유정(oil well)에서 추출된 원유는 많은 불순물들 – 모래, 칼슘, 나트륨, 염화마그네슘 등 - 이 함유되어 있다. 이런 불순물들은 석유정제과정에서 공장설비들을 부식 시킬 수도 있고, 열교환기의 열효율을 낮추는 안 좋은 영향을 끼치게 되기 때문에 반드시 제거해야 된다. 탈염(Desalting)은 이러한 불순물을 분리하는 과정이다. 혼탁화(emulsified)되어 있는 물에 용해된 무기염류를 제거하는 게 포인트인데, 보통 담수(fresh water)를 투입하고 전기적인 장치를 이용하여 분리하는 방법을 주로 이용한다.

 

원기둥 모양의 탱크에서 Desalting이 일어난다.

담수(fresh water)는 무기염류를 용해한 뒤, 전기장에서 원유와 물로 분리된다.

2. 가열로 (Furnace)

 탈염 과정을 거친 원유는 펌프를 통해 가열기로 들어가게 된다. 가열기는 증류탑에 들어가기 전에 분별증류에 적합한 온도로 올려주는 역할을 한다. 보통 340C까지 가열하게 되는데, 이 온도에서 가벼운 성분은 기체(vapor)가 되고, 무거운 성분은 액체가 되어 기/액 평형상태가 된다. 이러한 상태로 증류탑의 가운데 부분(flash zone)으로 들어가게 된다.

 

3. 증류탑 (Distillation Column)

이제 원유는 증류탑으로 들어와 본격적으로 분리가 일어나게 된다. 원유의 끓는점 차이를 이용하여 각각의 석유제품으로 분리하는 작업이 일어난다. 증류탑의 중간(Flash zone)으로 들어오게 되는데, 이때 가벼운 성분(vapor)들은 증발되어 탑 위로 올라가고 무거운 성분들은 탑 아래로 내려가게 된다. 본격적으로 탑 내부를 살펴보겠다.

증류탑(distillation column)의 내부

3.1  Trays

tray를 영어사전에 검색해보면 ‘쟁반’이라고 나온다. 증류탑 내부에도 쟁반같이 생긴 칸막이들 수십개가 층을 이루고 있다. 증류탑 내부로 들어온 원유는 이 수십개의 tray들을 통과하게 된다. 각각의 tray는 포종(bubble cap)이라는 장치가 설치 되어 있는데, 이 장치에서 원유의 무거운 성분은 응축되고, 가벼운 성분은 기체(vapor) 상태로 계속 올라가게 된다.

무거운 성분은 bubble cap을 지날 때 응축된다.

각각의 tray에서 원유는 끓는점에 맞게 응축되는 셈이다. 넘친 응축액은 downcomer를 통해 아래로 흘러내려가게 된다. 흘러내려간 액체 성분은 위로 올라오는 증기와 다시 접촉하고, 이 과정에서 열교환이 일어나서 응축/증발이 다시 한번 일어나게 된다. 그러면서 더 정교한 분리가 일어나게 된다. 증류탑 내부에서 각각의 tray는 이러한 과정이 연속적으로 일어나고 있다.

downcomer, 숫자는 분자량이라고 생각하자

3.2  Reboiler/Reflux

증류탑에는 제품(product)의 순도(purity)를 높이기 위한 장치들이 있다. 증류탑 꼭대기와 바닥에 있는 reflux와 reboiler는 원유를 순환 시켜 순도를 높이는 역할을 한다. 증류탑의 최상단에는 원유에서 가장 가벼운 성분들이 product로 나오게 될 것이다. 하지만 종종 무거운 성분들이 함유될 수 있는데, 이것을 응축시켜 다시 증류탑으로 보내는 작업을 reflux라고 한다. reflux는 냉각기를 이용하여 무거운 성분들을 다시 응축시킨 뒤 증류탑으로 순환시켜 준다.

reflux

 반대로 reboiler는 증류탑 바닥에서 나가는 제품(product)에 열을 가하여 가벼운 성분들을 증발시켜 증류탑으로 순환시켜주는 역할을 한다. 그리고 기화되지 않은 잔사유(residue)는 VDU 공정으로 흘러가 더 정교한 분리공정을 거치게 된다.

3.3 온도

 온도에 따라 제품(product)의 품질이 달라질 수도 있다. 예를 들어, 증류탑의 온도가 낮으면 증발이 제대로 되지 않아서, 가벼운 성분들의 제품의 생산량은 줄어들 것이고, 반대로 온도가 너무 높으면 필요이상으로 증발이 일어나게 되어 문제가 될 것이다. 따라서 증류탑의 온도조절은 굉장히 중요하다. 증류탑의 윗 부분은 reflux를 통해 온도를 낮출 수 있고, 증류탑의 바닥 부분은 reboiler를 통해 온도를 높일 수 있다.  정교한 온도조절을 위해 증류탑에 pump-around를 설치하기도 한다.(pump-around는 증류탑 중간에서 원유를 빼내어 다른 층으로 순환시켜 열교환 하는 방식인데, 이러한 방식을 internal reflux라고 부르기도 한다.)

reboiler, reflux, pump-around를 통해 온도를 조절하는 증류탑

CDU는 정유공정 중 제일 많은 처리능력을 갖고 있는 공정이다. 즉, 석유정제과정의 척추 역할을 맡고 있다고 할 수 있다. CDU를 거친 원유들은 이제 어떤 공정을 거치게 될까? 다음 시간에는 CDU와 비슷하면서도 다른 VDU를 다뤄보도록 하겠다.

형규