요약 소개: 나프타/콘덴세이트에서 고옥탄 휘발유 생산
목표: 촉매개질을 통해 저옥탄 나프타 또는 콘덴세이트 원료를 고옥탄 휘발유 혼합 성분으로 업그레이드
주요 원료 특성:
나프타: 원유 증류장치(Atmospheric Distillation Unit - ADU) 또는 다른 공정에서 얻는 가벼운 증류분으로, 일반적으로 30°C에서 200°C 사이의 끓는 범위를 가진다. 옥탄가가 낮음(RON 40-70).
콘덴세이트: 천연가스 생산 과정에서 분리된 매우 가벼운 액체 탄화수소. 나프타와 비슷한 끓는 범위를 가지나 보다 경질이며, 중질성분이 적고 파라핀/나프텐의 함량이 더 높을 수 있음. 역시 옥탄가가 낮음.
핵심 공정: 촉매 개질
이러한 원료로부터 고옥탄가 휘발유를 생산하는 핵심 장치는 촉매개질장치(Catalytic Reforming Unit, CRU)이다. 이 공정은 옥탄가가 낮은 탄화수소를 고옥탄가 성분으로 화학적으로 전환시킨다.
1. 원료 전처리(필수적 과정):
목적: 고가의 백금계 촉매를 영구히 중독시키는 불순물(황, 질소, 수분, 금속 등)을 제거하는 것.
공정: 수소처리(Hydrotreating)(수소탈황 - HDS).
단계:
원료에 수소이온이 풍부한 기체(재순환 가스)를 혼합함.
고온(300-400°C) 및 고압(20-50 bar)에서 촉매(예: CoMo/Al₂O₃) 위를 통과함.
황 화합물(예: 메르캅탄)이 H₂S로 전환됨.
질소 화합물이 NH₃로 전환됨.
올레핀이 포화됨.
금속이 제거됨.
출력물: 황(<0.5 ppm, 일반적으로 <0.1 ppm)과 질소 함량이 매우 낮은 처리된 나프타/응축액.
2. 촉매 개질:
목적: 저옥탄 파라핀 및 납텐을 고옥탄 방향족 화합물 및 분기형 파라핀(이소파라핀)으로 전환.
주요 반응:
탈수소화 반응: 납텐 -> 방향족 화합물 + 수소(고옥탄 생성의 주요 공정)
이성화: 직쇄형 파라핀(n-파라핀) → 분지형 파라핀(i-파라핀)
탈수소환화: 파라핀 → 나프텐 → 방향족 화합물
수소분해: (비가역적 반응, 원료 소비) 큰 분자 → 작은 분자 + 가스(C1-C4)
공정 유형:
반재생 개질(SRR): 고정층 촉매 사용. 일정 주기마다(6~24개월마다) 촉매 재생을 위해 공정 중단. 높은 압력(15-30 bar)에서 운전.
연속 촉매 재생 개질(CCR): 반응기와 별도의 재생장치 사이에서 촉매가 지속적으로 순환. 낮은 압력(3-10 bar)에서 운전하여 고강도 조건(높은 옥탄가, 높은 방향족 수율, 더 많은 수소 생산) 가능. 가장 일반적인 현대 설계 방식.
조건:
온도: 480-530°C
압력: 3-30 bar (공정 유형에 따라 다름)
촉매: 알루미나(Al₂O₃)에 담지된 백금(Pt), 일반적으로 레늄(Re), 주석(Sn), 염소(Cl) 등의 촉진제를 함께 사용하는 이원 또는 다원 금속 촉매
출력:
개질 생성물: 고옥탄 액체 제품(RON 95-106). 방향족 화합물(벤젠, 톨루엔, 자일렌 - BTX)과 분기형 파라핀 성분이 풍부함.
수소 부유 가스: 유가가스 부산물(가수처리장치, 수소분해장치에 사용됨).
LPG: 수소분해 공정에서 발생하는 경질 가스(C1-C4).
3. 생성물 분리:
목적: 개질 생성물에서 경질 가스와 수소를 분리함.
프로세스:
안정화탑/디뷰테나이저: 경질 성분(C4 및 그 이하 경질 가스 - LPG)을 개질 생성물 액체에서 제거함.
가스 회수 장치: 수소 부유 가스를 경질 탄화수소 가스(C1-C4)에서 분리함. 수소는 정제되어 개질 반응기 및 가수처리장치로 재활용됨.
4. 분획 공정(선택적이나 일반적임):
목적: 안정화된 개질 생성물을 특정 끓는점 범위별로 분리함.
프로세스:
분획탑은 다음을 분리함:
경질 개질유(Light Reformate): 끓는점이 낮고 옥탄가가 높은 성분(벤젠/톨루엔이 풍부한 경우가 많음). 환경 규제로 인해 휘발유 혼합 전에 벤젠 저감 처리가 필요할 수 있음.
중질 개질유(Heavy Reformate): 끓는점이 높은 성분(제일렌 및 중질 방향족이 풍부함).
주력 제품:
개질유(Reformate): 주요 고옥탄가 휘발유 혼합 성분(RON 95-106). 최종 휘발유 혼합물의 옥탄가를 크게 증가시킴.
중요 고려사항:
원료 품질: 민감한 개질 촉매를 보호하기 위해 사전 처리가 매우 중요함.
공정 강도: 강도가 높을수록(온도 상승, 압력 감소) 옥탄가와 방향족 생성율이 증가하지만, 동시에 촉매 비활성화 속도와 가스(LPG) 생산량도 증가함(액체 수율 감소).
촉매: 복잡한 반응에 백금계 촉매가 필수적임. 연속 재생식(CCR) 운전이 최적의 성능을 가능하게 함.
수소: 다른 정유소 수소처리 공정장치에 중요한 부생 부품으로서의 가치가 큼.
벤젠 관리: 개질 생성물에는 벤젠이 포함되어 있습니다. 규제에서는 최종 휘발유 내 벤젠 농도를 최소화해야 하며, 때로는 개질 후 처리(예: 벤젠 포화, 추출) 또는 신중한 혼합이 필요할 수 있습니다.
요약: 나프타/응축유로부터 고옥탄가솔린을 생산하기 위해서는 엄격한 원료 전처리(가수소처리) 후 촉매 개질 공정이 필요합니다. 이 과정에서 고온 및 고압 조건에서 백금 촉매의 작용으로 분자가 고옥탄가의 방향족 화합물과 가지형 파라핀으로 전환됩니다. 분리 및 분획을 통해 개질 생성물인 고옥탄가 혼합 성분과 더불어 귀중한 수소 가스도 얻을 수 있습니다.
| 항목 | 수율% |
| 연료 가스 | 2-4 |
| 액화석유가스(LPG) | 35-45 |
| 고옥탄가 휘발유 | 40-55 |
| 디젤 분획물 | 1-2 |
고옥탄가 휘발유
| 항목 | 데이터 |
| 밀도, kg*m-3 | 740-750 |
| 옥탄 수 (RON) | ＞90 |
| 황 함량 (ppm) | ＜20(실험을 통한 예측 필요) |
| 방향족 함량(m%) | 35--45 |
비고: 고옥탄가솔린의 벤젠 함량 >1%(추정)
일반적인 액화석유가스 성질
| 구성 | 데이터(V%) |
| C3H6 | 1-3 |
| C3H8 | 40-55 |
| C4H8 | 2-6 |
| C4H10 | 30-40 |
촉매의 주요 특성
| 항목 | 인덱스 |
| 형태 | 흰색 기둥 |
| 크기, (직경 × 길이 mm) | φ(3.0—8.0) |
| 압축 강도, N/cm | ≥80 |
| 벌크 밀도, g/cm3 | 680-720 |
1. Q: 나프타와 응축액이란 무엇이며, 왜 휘발유에 사용되나요?
A: 나프타는 원유 정제에서 얻어지는 경질 증류분획물(일반적으로 C5-C12 탄화수소)입니다. 콘덴세이트는 천연가스 생산 과정에서 회수되는 매우 가벼운 액체 탄화수소 혼합물(C5-C10+)입니다. 두 물질 모두 휘발유 생산에 적합한 원료인데, 이는 이들의 분자량에 해당하는 탄화수소가 고부가가치 휘발유 성분으로 전환될 수 있기 때문입니다.
2. Q: 왜 나프타와 콘덴세이트가 고옥탄가 휘발유 제조에 특히 적합한가요?
A: 이들은 상당량의 파라핀(n-파라핀 및 이소파라핀), 납텐계 탄화수소, 방향족 탄화수소를 포함하고 있습니다. 촉매 개질 공정을 통해 납텐계 탄화수소와 파라핀은 고옥탄가의 방향족 화합물(예: 벤젠, 톨루엔, 자일렌인 BTX)과 가지형 이소파라핀으로 전환되며, 이는 휘발유의 옥탄가를 크게 높여줍니다.
3. Q: 나프타/콘덴세이트를 고옥탄가 휘발유로 전환하는 데 사용되는 주요 공정은 무엇입니까?
A: 촉매 개질이 핵심 공정입니다. 이 공정은 고온 및 중간 압력 조건에서 촉매(일반적으로 백금계)를 사용하여 분자 구조를 재배치합니다. 주요 반응에는 납텐계 탄화수소의 탈수소화에 의한 방향족 화합물 생성, 파라핀의 이성화에 의한 아이소파라핀 생성, 파라핀의 탈수소환화에 의한 방향족 화합물 생성 등이 있으며, 이 모든 반응은 옥탄가(RON > 90)를 크게 증가시킵니다.
4. Q: 모든 나프타/콘덴세이트가 바로 개질기에 투입되나요?
A: 일반적으로 그렇지 않습니다. 원료는 먼저 수소처리 공정을 거쳐 황과 질소와 같은 불순물을 제거해야 하는데, 이러한 불순물은 비싼 개질 촉매를 오염시킵니다. 특정 나프타 분획(예: 중질 나프타, 약 90-200°C 끓는 범위)은 납텐 함량이 높아 방향족 화합물 생성량이 많기 때문에 개질 공정에 더 적합합니다. 경질 콘덴세이트 분획은 대신 이성화 공정으로 보내지는 경우가 많습니다.
5. Q: 개질 외에도 다른 공정이 사용될 수 있나요?
A: 이성질화: 경유분 또는 응축분의 직쇄형 파라핀(n-펜테인, n-헥세인)을 고옥탄가의 가지형 이성질체로 전환시킵니다.
알킬화: 경질 올레핀(FCC, 코커에서 유래)을 이소부탄과 결합시켜 매우 높은 옥탄가(RON 90-98)를 갖는 가지형 파라핀(알킬산)을 형성하며, 이를 휘발유 혼합물에 혼합하는 데 사용합니다.
혼합: 리포메이트(고옥탄가, 고방향족)를 이소머레이트(중간 옥탄가, 저방향족), 알킬산(매우 고옥탄가), 산소첨가제(에탄올 등) 및 잠재적으로 처리된 FCC 휘발유와 혼합하여 최종 옥탄가(RON/MON) 및 규격 요구사항을 충족시킵니다.
6. Q: 개질공정이 옥탄가를 증가시키는 구체적인 메커니즘은 무엇입니까?
A: 개질공정은 저옥탄가 성분들을 전환시킵니다:
나프텐(naphthenes, 예: 사이클로헥세인): 고옥탄가 방향족 물질(벤젠 - RON ~99)으로 전환됩니다.
파라핀(paraffins): 이성질화를 통해 고옥탄가 이소파라핀으로 전환되거나 탈수소환화(dehydrocyclization) 반응을 통해 직접 방향족 화합물로 전환됩니다(예: n-헵테인 RON 0 -> 톨루엔 RON ~120).
또한 귀중한 부산물인 수소 가스도 생성됩니다.
7. Q: 고옥탄가솔린 생산에 나프타/응축액을 사용하는 주요 장점은 무엇입니까?
A: 풍부한 원료: 원유 및 가스 생산의 주요 구성 성분.
높은 수율 및 품질: 개질 공정을 통해 고옥탄 개질유를 효율적으로 생산하며, 이는 고옥탄 혼합의 주요 구성 성분입니다.
유연성: 다양한 분획물을 최적의 공정(개질, 이성질화)으로 유도할 수 있음.
귀중한 부생산물: 개질 공정에서 촉매개질화 장치(가수분해장치, 수소분해장치)에 필수적인 수소를 생성함.
8. Q: 이러한 원료로부터 고옥탄가솔린을 생산하는 데 있어 주요 과제는 무엇입니까?
A: 원료 품질: 조성의 변동성(나프텐/파라핀 비율, 불순물)으로 인해 신중한 선정 및 전처리(가수처리)가 필요함.
촉매 민감성: 개질 촉매는 가격이 비쌀 뿐만 아니라 황, 질소, 금속, 수분과 같은 독성 물질에 매우 민감함.
방향족/벤젠 함량 제한: 개질 생성물은 방향족 및 벤젠 함량이 높아 엄격한 환경 규제를 받으며, 벤젠 포화 또는 추출이 필요함.
공정 강도: 고강도 개질은 옥탄가를 증가시키지만 촉매 비활성화(코킹)를 가속화하고 액체 수율을 감소시킴.
설비 및 운영 비용: 개질 공정 및 관련 장치(가수처리장치)는 상당한 투자비와 운영비가 소요됨.
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