원유 대기식 및 진공 증류 장치: 기술 세부 사항 및 경쟁 우위 대기식 및 진공 증류 장치(AVDU)는 원유 정제 과정의 기본적인 첫 번째 단계입니다. 흔히 "정유소의 심장"이라고 불리는...
원유 대기압 및 진공 증류 설비: 기술 세부 사항 및 경쟁 우위
대기압 및 진공 증류 설비(AVDU)는 원유 정제 과정의 가장 기본 단계입니다. 흔히 "정유소의 심장"이라고 불리는 이 설비의 주요 기능은 원유에 포함된 탄화수소 혼합물을 끓는 점에 따라 서로 다른 분획 또는 "컷(Cuts)"으로 분리하는 것입니다. 이러한 최초의 분리 과정은 모든 후속 공정 유닛의 필수적인 기초를 제공합니다.
이 기사에서는 이 핵심적인 정유 인프라 설비의 기술적 세부 사항과 주요 장점을 깊이 있게 다루고 있습니다.
이 공정은 논리적으로 두 단계, 즉 대기압 증류와 진공 증류로 나뉩니다.
분별탑에 들어가기 전에 원유는 염분 제거 과정을 거쳐야 합니다. 원유에는 일반적으로 물, 무기 염류(주로 나트륨, 칼슘, 마그네슘의 염화물), 그리고 침전물이 포함되어 있습니다.
공정: 원유를 가열하고 여기에 신선한 물을 혼합하여 염분을 용해시킵니다. 혼합된 물질은 염분제거조로 보내지며, 이곳에서 고전압의 정전기를 가합니다. 이 전기장은 작은 물방울들이 서로 뭉쳐 더 큰 물방울로 합쳐지도록 도와주고, 이 물방울들은 바닥으로 가라앉아 배출됩니다.
목적: 염분은 하류 공정 장비에서 부식, 오염 및 촉매 중독을 방지하기 위해 제거하는 것이 중요합니다. 염분은 가열 시 염산(HCl)을 생성할 수 있으며, 이는 분별탑 상부 시스템에서 심각한 부식을 유발할 수 있습니다.
염분이 제거된 원유는 일련의 열교환기(예열 열교환기 트레인)와 직접 가열하는 방식의 가열로(파이프스틸 가열로 또는 가열로라고 함)에서 약 350°C - 380°C까지 추가로 가열됩니다.
가열된, 부분적으로 기화된 원유는 대기 증류탑으로 공급됩니다. 이 탑은 공기의 유입을 방지하기 위해 대기압보다 약간 높은 압력에서 작동하는 큰 원통형 용기입니다.
내부 구조: 이 탑은 상승하는 증기와 하강하는 액체 간의 물질 및 열 교환을 촉진하기 위해 여러 개의 수평 트레이 또는 충전재로 구성되어 있습니다.
분별 증류: 증기가 상승하면서 온도가 낮아집니다. 끓는점이 높은 성분들은 아래쪽 트레이에서 응축되는 반면, 가벼운 성분들은 계속 상승합니다. 특정 높이에서 측출을 통해 특정 분획을 회수할 수 있습니다:
경질유: 기체(C1-C4)와 경질 나프타는 탑 상부에서 배출됩니다.
중질 나프타: 탑 상부 근처에서 측출되며, 휘발유의 전구체입니다.
케로신/항공연료: 중간 끓는점 분획물로 탑 하부 쪽에서 측출됩니다.
디젤/가스유: 보다 낮은 위치에서 측출됩니다.
역류: 응축된 상부 액체의 일부는 역류로서 분리탑 상부로 다시 펌프된다. 이는 탑의 온도를 조절하고 상부 생성물의 분리 효율을 향상시키는 데 매우 중요하다.
저부 생성물: 대기압 분리탑 바닥에서 나오는 잔사물은 대기압 하에서 열분해(열분해 반응) 없이는 기화하기에 너무 무겁다. 이러한 잔사물은 진공증류장치(Vacuum Distillation Unit)으로 공급된다.
대기압 잔사물로부터 무거운 분자를 열분해하지 않고 기화시키기 위해 압력을 급격히 낮춘다.
공정: 대기압 잔사물은 진공 가열로에서 약 380°C - 420°C까지 가열된 후 진공증류탑으로 공급된다. 이 증류탑은 고진공 상태(절대압력 10~40 mmHg)에서 운전되며, 이로 인해 탄화수소의 끓는점이 현저히 낮아진다.
진공 생성: 진공은 주로 일련의 스팀 제트 펌프(보통 액체환식 진공 펌프가 뒤따름)에 의해 유지됩니다. 스팀 제트 펌프는 벤투리 효과를 이용하여 컬럼 상부로부터 가스(공기 및 경질 탄화수소)를 빨아들입니다.
내부 구조: 컬럼 내 압력 강하를 최소화하기 위해 트레이 대신 압력 강하가 낮은 적층 충전재가 사용됩니다. 컬럼 직경 또한 대기압 컬럼보다 더 큽니다.
분별: 컬럼은 잔사를 다음으로 분리합니다:
진공 가스 오일(VGO): 측출 유출물로 추출되며, 이는 유동층 촉매 분해(FCC) 장치 및 수소분해 장치의 주요 원료입니다.
진공 잔사유/"쇼트 잔사": 최저부 생성물로서, 보통 아스팔트 생산, 연료유 블렌딩 또는 코킹 장치의 원료로 사용됩니다.
현대식 AVDU의 설계 및 운전은 다음과 같은 핵심적인 장점을 제공합니다:
최신식 대기압 분획 유닛(AVDU)은 열 통합 측면에서 뛰어난 성능을 자랑합니다. 열교환기들의 광범위한 네트워크(이른바 "사전 가열 트레인")는 뜨거운 제품 흐름을 이용해 유입되는 차가운 원유를 예열합니다. 이는 가열로의 연료 소비를 크게 줄여 운영 비용과 정유소의 탄소 배출량을 감소시킵니다. 가열로 직후에 전열관식 열교환기(TLEs)를 사용하면 고온의 열을 추가로 회수할 수 있습니다.
설계가 잘 된 대기압 분획 유닛은 다양한 종류의 원유(가벼운 다크루드에서 무거운 산성 원유까지)를 처리할 수 있습니다. 운전자는 시장 수요와 원유 특성에 따라 가장 귀중한 제품(예: 연료유보다 디젤 수율 극대화 등)의 수율을 최적화하기 위해 가열로 출구 온도, 환류비, 추출 속도 등의 주요 운전 파라미터를 조정할 수 있습니다.
대기압 분획 유닛은 전용 하류 공정 유닛에 정제된 개별 원료를 공급합니다:
고옥탄가솔린 생산을 위한 촉매개질 공정에 공급되는 나프타.
황 제거를 위해 가스 오일을 수소 처리 장치로 보내는 과정입니다.
가스유(VGO)를 FCC 또는 수소분해 장치로 보내 중질 분자를 휘발유와 경유로 분해합니다.
이 초기 단계의 정제 분리는 이러한 복잡한 2차 유닛의 효율성과 수명 연장을 위해 필수적입니다.
최신 설비에는 고도화된 분산 제어 시스템(DCS)과 고급 공정 제어 알고리즘이 장착되어 있습니다. APC를 통해 다음이 가능합니다.
보다 엄격한 품질 관리: 제품 규격(예: 인화점, 끓는 범위)을 일관되게 유지합니다.
최대 처리량 달성: 설비의 유압 한계 내에서 안전하게 원유 처리 속도를 극대화합니다.
에너지 사용 최적화: 최저 에너지 비용을 위해 공정을 동적으로 조정합니다.
특히 진공 유닛은 상당한 부가가치를 제공합니다. 대기압 증류 대신 진공 증류를 사용함으로써 정유소는 저가치 잔사유를 고가치 VGO(Vacuum Gas Oil)로 전환할 수 있으며, 이 VGO는 이후 운송용 연료(휘발유, 디젤, 제트연료)로 개질됩니다. 이를 통해 원유 한 배럴당 고부가가치 제품의 수율을 획기적으로 증가시킬 수 있습니다.
부식과 오염의 영향을 받을 수는 있지만, AVDU(Atmospheric and Vacuum Distillation Unit)는 견고하고 검증된 기술입니다. 적절한 재질 선정(예: 부식 저항성을 위한 클래드 트레이), 효과적인 화학 처리(예: 오염 방지제, 부식 억제제), 철저한 유지보수를 통해 이들 유닛은 주요 정비(점검 정지) 사이에 3~5년 동안 연속적으로 운전할 수 있어 정유소의 가동률을 높일 수 있습니다.
대기 및 진공 증류 장치는 고도로 발전된 기술과 기본적인 물리 원리를 결합한 화학 공학의 걸작입니다. 이 장치의 기술적 우위성은 뛰어난 에너지 효율성과 운전 유연성에서부터 현대 정유소 전반을 위한 필수 기반을 제공하는 것에 이르기까지 전 세계 경제를 움직이는 원유를 핵심 제품으로 전환하는 데 있어 대체 불가능한 역할을 확고히 하고 있습니다. 재료, 공정 제어 및 열 통합 기술의 지속적인 개선을 통해 효율성과 신뢰성의 모범 사례로 자리매김하고 있습니다.
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