2. 제조 화학 공업의 특징

골드미스 다이어리 1분 46초

(1) 석유 정제 공업

정제 : 원유에 열과 압력의 변회를 통해 유분을 분리한 후, 촉매를 이용하여 전화시카고 회수하는 것
원유 정제 공정
증류 공정 : 원유에 열을 가하고 원유에 포함된 탄화수소의 끓는점 차이를 이용하여 분리
정제 공정 : 증류된 유분 내에 포함된 불순물을 제거
전화 공정 : 증류된 탄화수소에 촉매를 첨가하여 개질， 분해 등의 화학 반응을 일으켜 다른 탄화수소를 제조

유분 : 정제되지 않은 반제품
완제품 : 유분을 다시 분해한 후 성질과 성상을 조절하는 과정을 거치면 주유소에서 볼 수 있는 완제품이 만들어진다.
원유를 정제하면 LPG 2%, 가솔린 8%, 나프타 12%, 등유와 경유 35%, 중유 38%, 아스팔트와 나머지 잔사유가 5% 정도 생산

그림 석유의 정제 과정 그림 석유 정제 공정도

(2) 원유의 증류

원유는 그대로 연료나 화학제품으로 시용할 수 없다. 따라서 원유를 끓는점에 따라 분리하는 조작인 증류가 필요
탈염 조작

석유의 증류에 있어서 우선 원유 중의 수분이나 염분을 제거하는 탈염 조작이 필요
일반적으로 원유 1m³ 중에 15kg 이상의 염이 들어 있을 경우에 탈염
원유 속의 염분을 물로 침출하거나, 에멀션화 파괴제나 전기적인방법 등을 사용

원유의 제 1단계 정제 방법으로 토핑
원유는 대기압, 350℃의 가열로에서 상압 증류탑으로 들어간다.
증류탑의 상단에서는 끓는점이 낮은 액화 석유 가스가 나오고 하단에서는 기화되지 않은 찌꺼기유가 나오는데, 이것은 감압 증류탑으로 간다.

그림 상압 증류 그림 증류탑 내부 구조

상압 증류에서 내오는 잔사유는 그대로 중유로 사용되기도 하나, 디젤 연료나 윤활유 경유, 아스팔트 등이 포함되어 있다.
끓는점이 높은 중질 유분을 증류하기 위해서는 높은 온도가 필요.
감압 증류는 중질 유분을 고온에서 그대로 증류하면 열분해하여 품질이 나빠지고 수율이 낮이지므로 이를 방지하기 위하여 더 많은 열을 가하는 대신 압력을 대기압보다 낮은 30~80 mmHg 정도로 갑압시킴으로써 끓는점을 내려 윤활유와 같은 고비점 유분을 얻기 위하여 증류하는 공정.

그림 감압 증류 장치 구조도

① 가압 증류

액화 석유 가스 유분은 대기압에서는 상온으로 냉각해도 액화되지 않으므로 7~30기압으로 가압 증류하여 액체로 만든다.

② 공비 증류

공비점을 가지는 탄화수소나 끓는점 차이가 작은 탄회수소의 혼합물에 제 3의 성분인 공비제를 가하여 증류하는 방법
사용되는 공비제로는 메탄올, 메틸에틸케톤, 암모니아 등.

③ 추출 증류

잘 분리되지 않는 탄화수소 혼합물에 용제를 가하여 분리시키 는 방법
용제는 아세톤, 페놀 등

④ 수증기 증류

끓는점이 높아 열분해가 되는 중질유의 전체 압력을 대기압으로 유지하면서 수증기를 불어 넣어 탄화수소의 부분 압력을 낮추면, 낮은 온도에서 끓는점이 높은 유분을 유출시키는방법

스트리핑 : 등유, 경유의 유분이나 감압 증류로 얻은 윤활유 속에 있는 끓는점이 낮은 탄화수소인 메테인과 에테인 등을 제거하기 위해 석유 유분에 수증기를 불어넣는조작

안정화 : 나프타 속에 들어 있는 가스 상의 탄화수소인 프로페인, 뷰테인 등을 증류를 통하여 제거시켜 상압에서 저장하기에 알맞도록 증기압을 조정하는 조작

(3) 석유의 전화

석유의 전화(conversion) : 석유의 유분 중에서 일정 성분의 생산량을 증가시키기 위하여 다른 성분의 화학 구조를 변화시키는 공정
증류에서 얻어지는 유분 중에서 특히 소비량이 많은 경질 유분의 경우에 수요를 맞추기 위해서 사용

크래킹(cracking ) : 중질유인 등유 중유를 분해시켜 가솔린을 생산하는 법
리포밍 (reforming) 법 : 가솔린의 옥탄가를 높이기 위한 방법

옥탄가 : 가솔린의 성능을나타내는 척도로서 iso -옥테인과 n -헵테인의 흔합물에서 이소옥테인의 부피%로 표시, 옥탄가가 높을수록 고급 가솔린
옥탄가가 높아야 하는 이유 : 옥탄가가 높을수록 이상 폭발을 일으키지 않고 잘 연소하기때문

크래킹법은 분자량이 큰유분의 탄소사슬을 끊는 방법
석유 중에서 가솔린의 수요가 가장 크기 때문에 개발된 전화 방법
크래킹법으로는 열분해법, 접촉분해법, 수소 첨가 분해법 등

① 열분해법(가열하여 자르기)

1892년에 러시아 기술자에 의해 개발된 빙법으로 경유 중유로부터 열로 분해시켜 기솔린을 얻는 방법
약간 높은 압력에서 가열 증류하여 탄소 사슬을 끊는 방법으로 끓는점이 높은 유분을 가압， 가열하여 반응탑을 통해 분리한 다음, 다시 증류탑을 통해서 분류한다.
열분해법은 기솔린 생산의 주역이었으나 지금은 다른 우수한 분해법으로 교체되어 경유를 생산하거나 중유의 점도를 낮추는 용도 사용
오늘날 주로 사용하는 열분해법은 코킹법으로 잔류물을 모두 코크스로 만들기 위해서 반응 시간을 길게 하고 있다.

그림 코킹 공정도

② 접촉 분해법(촉매와 접촉시켜 자르기)

등유 이상의 높은 끓는점의 유분을 열과 촉매를 동시에 사용하여 분해하는 방법
열분해만으로는 옥탄가가 낮아져서 질이 좋은 가솔린을 제조하는데 한계가 있어 도입된 방법
실리카-얄루미나 등을 촉매로 하여 중질 유분을 선택적으로 분해해서 옥탄가가 높은 양질의 기솔린을 제조
이 방법을 사용하면 기솔린뿐 아니라 부생 가스도 많이 생성되는데, 이 부생 가스는 액화하여 가정용 및 공엽용 연료로 사용된다.
공정 중에 촉매 표변에는 탄소가 많이 부착되어 촉매의 활성이 떨어지기 때문에, 사용된 촉매를 재생탑에 옮겨 탄소분을 연소하여 재활용
반응기의 구조와 촉매의 사용 방법에 따라 고정상식, 이동상식 및 유동상식 접촉 분해법이 있다.

그림 Houdriflow 접촉 분해 장치

③ 수소화 분해법(고압의 수소를 가해 분해하기)

끓는점이 높은 유분을 수소 기류 중에서 분해시켜 가솔린을 만드는 방법

낮은 옥탄가의 직류 가솔린이나 분해 가솔린으로부터 옥탄가를 높이기 위한 리포밍법에는 접촉 개질법, 알킬화법, 이성질화법, 중합법 등이 있다.

① 접촉개질법

중질 가솔린을 수소 기류 중에서 촉매에 접촉시켜 높은 옥탄가를 얻는 방법
상압 증류로 분류된 중질, 경질 가솔린 유분을 고온 고압을 처리하여 열분해와 동시에 화학적 구조를 변화시켜 옥탄가가 높은 양질의 가솔린을 만드는 방법
리포밍법 중에서 가장 널리 사용되는 전화 방법으로 사용되는 촉매를 중심으로 백금-알루미나를 사용하는 플랫포밍(Platforming)법과 산화몰리브덴-알루미나를 사용하는 하이드로포밍(Hydroforming)이 가장 대표적인 방법
요즈음에는 촉매로서 백금-레늄의 두 금속을 사용하는 레니포밍(rheniforming)법을 사용

리니포밍법의 공정

② 이성질화법

곧은 사슬 모양의 탄회수소를 곁사슬까지에 있는 탄화수소로 만드는 방법
노말뷰테인을 백금-알루미나 촉매를 사용하여 이성질화시키면, 뷰테인에서 반응성이 높은 아이소뷰테인을 얻을 수 있는데, 아이소뷰테인은 알킬화법의 원료로 사용

③ 알킬화법

파라핀계 탄화수소(알케인)와 올레핀(알켄)을 결합시켜 원래 물질보다 무겁고 옥탄가가 높은 석유 생성물을 만드는 방법
알킬화는 원래 제 2차 세계 대전 중에 비행기 연료인 가솔린의 성능을 높이기 위해 개발된 것으로 자동차용 무연 가솔린을 만드는 데 사용
어떤 의미에서 알킬화는 탄화수소를 쪼개는 분해 증류 공정과 반대이다.
알킬화 반응에 는 열과 촉매가 모두 사용되며 최종 생성물은 이 조건에 따라 달라질 수 있다.
열분해법을 통해 가솔린을 얻을 수 있고 3개 또는 4개의 탄소 원자를가지고 있는 기체를 알킬화하면 원하는 가솔린 성분을 얻을 수 있기 때문에, 알킬화법와 열분해법을 연결하면 정유소의 가솔린 수율을 높일 수 있다.

그림 가솔린의 제조 공정

(4) 석유의 불순물 제거 공정

넓은 의미의 석유 정제는 원유의 증류 공정도 포함되나 여기서는 각종 석유 유분 중에 들어 있는 불순물을 제거하는 것을 의미
석유의 불순물로는 황화 수소 메르캅탄, 티오펜 등의 황화물과 미량의 질소 화합물과 산소화합물이 있으며, 이러한 물질의 산화로 인한 악취, 금속의 부식, 대기 오염 등의 문제를 일으킨다.
현재 널리 사용되는 불순물 제거 방법으로는 스위트닝법과 수소화 정제법이 었다.

① 스위트닝법

가솔린이나 등유 속에는 황 화합물, 특히 나쁜 냄새를 유발하는 메르캅탄류가 많이 포함되어 있다.
메르캅탄류를 산화하여 이황화물로 변화시키면 나쁜 냄새가 없어지고 유분은 달콤한 냄새로 바뀌게 된다. 이러한 스위트닝법은 냄새를 제거하는 것이지 황을 근본적으로 제거하는 방법은 아니다. 따라서 가솔린이나 등유의 질을 크게 향상시키지 못하고, 공해 유발의 부담은 여전히 존재하기 때문에 점차 사용하지 않게 되었다.
현재에는 황 화합물을 용제를 이용하여 제거 하는 용제 탈황법이나 촉매를 사용하는 메록스법을 사용하고 있다.
전형적인 메록스법은 아래 반응과 같이 수산화 나트륨으로 메르캅탄을 제거하고 분리하여 산소와 반응시켜 수산화나트륨을 회수하여 재사용

그림 스위트닝법의 추출 반응과 재생 반응

② 수소화 정제법

수소 공정이라고도 알려진 이 공정은 나프타에서 황과 질소를 제거하는 공정
유분은 고순도의 수소 기류 중에서 수소와 결합하여 증발되고, 증발된 유분은 니켈(Ni), 텅스텐 (W), 코발트(Co)-몰리브덴 (Mo)과 같은 촉매층을 통과하면서 처리되어 유분 내의 황이 기체상의 황화수소 형태로 제거
질소는 유사한 반응을 통해 암모니아 형태로 제거
수소화 정제법을 이용하면 황과 질소의 제거 이외에 부가적으로 수소 첨가 반응에 의해서 산소 화합물에서 산소를 물의 형태로 제거하여 유분의 질을 향상시킬 수 있다. 하지만 수소화 정제법의 주목적은 황과 질소를 제거하는 것이다

그림 수소화 정제 반응

(5) 석유 제품

석유 제품은 원유로부터 증류하여 얻은 제품을 지칭하는 용어로서 석유 화학 제품과는 구별하여 사용
석유 제품 중에서 가장 소비량이 큰 것이 LPG, 가솔린, 경유와 같은 연료유이고, 그 다음이 윤활유, 석유 화학 제품의 원료인나프타 등

그림 원유 1배럴에서 얻을 수 있는 석유 제품 단위 :리터

액화 석유 가스(LPG: Liquified Petroleum Gas)는 프로페인, 뷰테인 등의 C₃, C₄의 경질 탄화수소가 주성분이고 쉽게 액화시킬 수 있고 운반이 용이, 원유 중에 0.1 ~3% 정도 함유
유럽을 비롯한 많은 나라에서 주로 사용되며 쉽게 액화시킬 수 있는 특징 때문에 도시가스가공급되지 않는 지역이나 가정의 취사와 난방에 주로사용, 또한 전기 생산을 위한 열병합 발전소의 연료가 되며, 최근 친환경 정책에 따라 자동차 연료로도 많이 사용
LPG가 기화된 가스는 무색 무취로 공기보다 무겁기 때문에 가정에서 사용할 경우 가스 누출이 있으며 자칫 대형 사고로 이어질 수 있다. 이 때문에 부취제를 넣어 사람의 후각으로 쉽게 가스 누출을 감지할 수 있도록 법률로 규제

표 액화 천연 가스(LNG)와 액화 석유 가스(LPG)의 물성 비교

1910년에 가솔린 내연 기관용 연료로 사용되기 시작한 가솔린은 비중이 0.63~0.76이고, 끓는점 30 ~ 225℃, 인화점 45℃, 발열량 1,200Kcal/kg, 100℃를 전후로 경질과 중질 가솔린 구분
자동차 연료로 사용되는 가솔린은 휘발유라고도 하며 무연 휘발유, 유연 휘발유, 고급 휘발유로 구분, 시중에서 흔히 접하는 휘발유가 무연 휘발유이고, 유연 휘발유는 과거 노킹 현상을 방지하기 위하여 납 성분을 첨가하여 만든 휘발유, 인체의 유해성과 환경 문제로 인하여 현재는 사용이 금지
고급 휘발유는 휘발유에 안티 노킹제를 첨가하여 발화점을높여 노킹을 막을수 있도록 제조된휘발유
현재에는 가솔린은 휘발유보다는 주로 석유 화학 공업의 원료로 쓰이는 나프타를 의미, 대부분의 석유 화학 제품이 나프타에서 출발하기 때문에 석유 화학 제품의 씨앗이라고 칭함.

항공기 연료로 사용되는 제트 연료는 끓는점이 150~300℃로 가솔린보다 높고, 탄소 수도 가솔린보다 많다.
항공기의 제트 터빈은 내연 기관과 달리 노킹이나 기계적 동력 전달이 없기 때문에 넓은 범위의 연료를 사용, 안전 문제로 발화점이 높고 다루기에 안전한 연료를 필요, 또한 자동차용 휘발유만큼 옥탄가가 높지 않더라도 공기가 희박한 하늘에서 사용하기 때문에 연소 효율이 높아야 한다.

전기가 공급되기 이전에 불을 밝히는데 사용된 기름에서 그이름이 유래, 영국인 제임스 영 Qames Young) 에 의해 원유의 증류방법이 발명되기 전까지는 불을 밝히는 데에는 동식물유가 사용되었으나, 냄새와 그을음이 문제가 되어 원유 증류로 생산된 등유로 대체
비중 0.79 ~0.85, 끓는점 50 ~ 300℃, 인화점 65 ~ 85℃
석유 난로의 백등유, 기계 세척용 용제나 농약 유제의 희석제 등으로사용
인화성이 더 좋은 휘발유와의 혼동을 피하기 위하여 둥유는 일반적으로 파란 용기에 저장, 휘발유의 경우 보통 빨간 용기에 저장하고 같은 이유로 경유는노란 용기에 저장

원유 증류에서 등유 다음에 나오는 것으로 비중 0.81 ~ 0.88, 끓는점이 250~ 350℃인 석유 유분
디젤 기관용 연료로 쓰이며 착화성의 척도로서 세탄가라는 명칭이 시용되며, 대형 자동차, 버스, 대형 선박뿐만 아니라 접촉 분해 가솔린의 원료 등으로 사용, 영어 이름으로 디젤(diesel) 이라 하는데, 압축 점화 엔진을 발명한 독일 발명가 루돌프 디젤 (Rudolf Diesel) 의 이름을 따서 붙어진 이름

석유 제품 중에서 양이 가장 많은 중유는 비중이 1. 0에 가깝고 끓는점이 350℃ 이상이며, 원유를 상압 증류하였을 때 경유까지 나오고 남은 흑갈색의 점성유, 발열량이 10,000 ~ 11,000kcal/kg으로 석탄의 약 1 .5배로 액체이기 때문에 저장과 이동이 간편하고 회분이 적으므로 중유는 대형 내연 기관용, 보일러용, 화로의 연료로서 사용
경유나 등유처럼 화학적인 정제를 하지 않으므로 품질 면에서는 저급, 황 화합물의 함량이 높아서 도시 난방용 연료로는 대기 오염 문제를 일으키므로 사용에 제한, 황 함량과 용도 및 점도에 따라 저유황 중유, 선박용 중유, A중유, B중유, C중유로 구분하여 공급

① 저유황 중유

황 함량이 매우 낮고 점도는 높은 편으로 주로 발전소의 연료로 사용

② 선박용 중유

선박용 중유는 국제적 용어로는 IBF(Intermediate Bunker Fuel) 라고도 하며, 주로 선박 엔진의 연료로 사용되나, 선박 엔진의 크기 및 종류, 제원 등이 매우 다양하여 여러 가지 등급의 연료가 요구된다
점도 등급별로 30에서 420까지 구분되며, 대형 선박일수록 점도가 높은 중유를 사용

③ A중유

예열할 필요가 없을 정도로 점도가 낮고 거의 경유에 가깝다.

④ B중유 /C중유

A중유보다는 점도나 황 함량이 높고 예열하여 연료를 점화

윤활유는 각종 기계냐 기관에 마찰, 마모와 과열을 방지하기 위해 사용
원유를 상압 증류한 잔사유를 감압 증류하여 얻는 유출유로 제조,,사용 목적에 따라 첨가제를 가하여 제조
경질 윤활유는 점도가 낮아 재봉틀, 자전거 등에 사용, 스핀들유는 시계, 계기 등에 쓰이는 정 멸 기계유, 중질 윤활유는 점도가 높은 윤활유로서 공기압축기, 기어 실린더 등에 사용
윤활유로서 요구되는 조건

점도가 사용 조건에 적합해야 할 것
사용 온도 범위가 넓은 경우, 온도에 따른 점도 변화가 적을것
산화 및 열 안정성이 좋을 것
유동점이 낮을것
거품이 적고 수분 분리성이 좋을것

석유 왁스(wax, 납)는 원유 중에 존재하는 높은 녹는점의 탄화수소 혼합물로 방수, 방습용의 가공지나 양초, 전기 절연체, 연마제, 화약의 방습제, 광택제, 크레온 제조 등의 생활 용품에 많이 사용
석유 왁스에는 파라핀 왁스(parafin wax)와 마이크로 왁스(micro wax)가 있다.

파라핀 왁스의 주성분은 C₂₀ ~ C₃₅정도로 고급성 왁스 파라핀계 탄화수소
마이크로 왁스의 주성분은 감압 증류 찌끼유에 걸쳐 있는 끓는점 범위의 C₃₅ ~ C₇₀정도의 왁스로, 파라핀 왁스에 비해 결정이 적고 녹는점이 높아 각종 전기 제품의 콘덴서에 사용하며, 츄잉 껌, 가구, 마루, 스키의 광택제로도 이용

석유 제품 중에서 유일하게 물보다 무거운 것으로, 비중은 1.01 ~ 1.05
아스팔트를 비튜멘 또는 역청 물질이라고도 한다. 아스팔트를 자갈, 모래 등의 골재의 결합재로 쓴 것을 아스팔트 콘크리트(줄여서 아스콘, 아스팔트)라고 부르고, 이 혼합제는 보통 도로 포장에 활용

그리스(grease)는 반고체상의 윤활제 윤활유(액체)와는 구별, 광유(또는 합성 윤활유)에 증조제(thickening agent)라고 불리는 금속 비누를 가하여 반고체상으로 한 윤활제
금속 비누로는 칼슘, 리튬, 알루미늄, 나트륨의 비누을 사용

석유 코크스(petroleum)은 감압 증류와 찌끼유를 열분해하여 얻으며, 탄소가 주성분
전기 분해용 탄소 전극, 제철용, 알루미늄 제련 등에 사용

황(sulfur)은 엄밀히 말하면 석유 제품이라고 할 수 없으나, 원유에서 얻은 유분을 정제할 때 수소로 환원하여 황화수소로 한 후 이것을 산화 처리하면 생성
이산화황을 대기로 방출하면 환경 오염 문제를 일으키므로 황산 제조의 원료로 활용

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