기계공학 취준일기 #15 LSR(Light Straight Run Naphtha)처리 공정 Isomerization Unit

CDU에서 분류된 NAPHTHA는 경질 나프타와 중질 나프타로 구분할 수 있다. 

 

끓는점이 100℃ 이하인 것을 경질나프타(Light Straight Run Naphtha, LSR)라고 하는데요. 경질나프타는 NCC의 원료로 사용되어 주로 용제 및 석유화학의 원료로 쓰입니다.

 

100~220℃ 범위에서 증류되는 유분은 중질나프타(Heavy Straight Run Naphtha, HSR)라고 하며 중질나프타는 다시 개질시설(Reformer)을 거쳐 휘발유 제조나 벤젠, 톨루엔, 파라자일렌 등의 방향족 공정의 원료로 투입 됩니다. 이러한 방향족은 또다시 합성플라스틱과 합성섬유의 원재료로 쓰이게 됩니다.

 

이중 경질 납사는 납사분해설비(NCC, Naphtha Cracking Center)를 통해 에틸렌, 프로필렌, BTX 등 기초 유분으로 전환된다. 반면 100~220 °C 범위에서 증류되는 중질 납사는 수첨설비(Hydrotreater), 개질설비(Reformer), 이후 분리정제를 통해 벤젠, 톨루엔, 파라자일렌 등의 방향족으로 전환된다.

 

CDU에서 증류되어 나온 Naphtha(C4~C6, C7~C12) 중 경질 Naphtha(C4~C6)가 처리되는 과정을 보겠다.

출처 https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221058955118

1. 이성질체화(isomeriztion이란)

 

Isomer이란 이성질체라고 하는데 분자식이 같아서 분자를 구성하는 원자의 종류와 개수는 동일하지만

 

구성원자의 연결방식이나 공간배열이 다르기 때문에 물리화학적 성질이 다른 물질이다. 따라서 isomerization이란 

 

분자식이 동일한 분자를 구성하는 원자의 종류와 개수는 동일하지만  구성원자의 연결방식이나 공간배열이 

 

다른 분자로 변화시키는 과정이다 (예 a-b-c를 b-c-a로 바꾸는것)

 

이성질체화가 중요한 이유는 gasoline의 옥탄가를 높이기 위한 방법중 하나로, 이성질체화는 옥탄가 상승뿐

 

아니라 gasoline blending을 위해서 또는 alkylation unit에 공급하기 위해 선형분자를 옥탄가가 높은

 

가지형분자로 변환하는 과정이다. 

 

출처 https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221058955118

위와 같이 긴 선형구조(normal paraffin)의 normal pentane(C5H12)가 있다.

 

이를 백금촉매(PLATINUM CATALYST)가 있는 상태에서 가열하여 옥탄가가 높은 가지형분자(iso paraffin)인

 

2-Methylbutane과 2.2-diMethylpropane등으로 바꿀 수 있다.

 

분자의 연결방식이나 공간배열이 바뀌었지만 동일한 분자식 (C5H12) 을 갖고 있다.

 

2. isomerization process

 

정유공정의 LSR은 Butane (C4)와 Pentane,Hexane (C5,C6) 를 이성질체화하는 공정으로 나눌 수 있다.

 

결론부터 말하자면 Butane(C4) Isomerization은 noraml-Butane을 iso-Butane으로 (선형분자를 가지형 분자로)

 

Pentane, Hexane (C5, C6) Isomerization은 noraml-Pentane, Hexane을 iso-Pentane, Hexane으로

 

노말 파라핀(선형분자)보다 옥탄가가 높은 이소 파라핀(가지형분자)로 변환하는 공정이다

 

2.1 Butane Isomerization

 

출처 https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sayrdk&logNo=40201782062&categoryNo=57&parentCategoryNo=&from=thumbnailList

위 공정도는 일반적인 C4 Isomerization공정이다. iso-Butane을 생산하여 후속 공정인 Alkylation공정의 feed로 공급하는

 

역할을 한다. 일반적으로 낮은 온도에서 운전되는 공정은 AlCl₃(염화 알루미늄) 촉매와 HCL을 이용하고, 

 

높은 온도에서 우전되는 경우네는 백금(Platinum)촉매와 같은 금속촉매를 이용해 반응시키기도 한다.

 

일반적인 Butane Isomerization Unit의 경우 butane feed는 수소와 섞여 약 110~170도의 온도에서

 

운전되는 reactor로 공급된다. 이후 reactor에서 반응을 마치면 iso-Butane외의 반응에 미사용된 수소, 

 

황화수소등이 생산된다. 수소는 reactor 후속 설비인 high pressure separator에서 분리되고, 

 

황화수소는 stabilizer (stripper)에서 제거된다. 이후 iso-Butane은 de-isoButanizer(Fractionator)로 보내져 reacotr에서 

 

반응하지 못한 noraml-Butane을 recycle하기 위해 iso-Butane과 분리하게 된다.

 

분리된 iso-Butane은 후속공정인 Alkylation공정으로 보내지고 normal-Butane은 반응을 위해 다시 reactor로 recyle된다.

 

 

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위 공정도는 일반적인 C5,C6 Isomerization공정이다.

 

C5,C6 Isomerization은 gasoline blending(옥탄가향상제) stock등으로 사용하기 위해 선형분자구조를

 

가지형분자구조로 전환시켜 (normal -> iso로)옥탄가를 높이는 역할을 합니다. 

 

MEROX등에서 탈황된 C5,C6는 수소와 혼합되어 heater에서 반응에 필요한 온도까지 가열된다. 가열된 feed는

 

hydrogenation reactor에서 feed에 남아있는 이중결합 olefin을 포화시키는 반응을 한다.

 

그 이후 isomerization reactor에서 normal-paffin을 iso-paraffin으로 바꾸는 반응이 일어나게 된다.

 

반응 이후 product separator에서 liquid product(isomerate)와 recycle hydrogen gas로 분리되고,

 

imerate는 washing(caustic and water), acid stripping과정 등을 거친후  gasoline blending stock으로 사용된다.

 

 

 

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출처 https://blog.naver.com/sayrdk/40200710668