기계공학 취준일기 #4 HCR

정유산업의 꽃은 고도화공정에 있다고 한다.

 

이전시간에 언급한 CONVERSION PROCESS가 고도화공정이다.

 

우선 고도화 공정이란 이전엔 기술적으로 사용하지 못해 버려지는 AR, 즉 분별증류과정에서 남은 석유찌꺼기를 

 

유용한 형태로 재 가공하는 기술이다. 즉 탄소결합을 쪼개는 크래킹 과정이 필요하다.

 

크래킹은 촉매를 이용하는 접촉분해 (CATALYTIC CRACKING, 수소를 첨가해서 분해하는 수소첨가분해

 

(HYDROCRACKING), 그리고 촉매없이 고온, 고압에서 크래킹하는 열분해 (THERMAL CRACKING)이 있다. 

 

HCR은 VDU에서 나온 감압경유(VGO)를 주 원료로 사용하는 HCR과 VR을 주 원료로 사용하는 VRHCR로 나뉜다.

 

HCR부터 알아가보겟다.

 

HYDROCRACKING 수소를 이용해 중질유를 분해(CRACKING)하는 것이다. 순도 99%의 수소기체와 촉매가 

 

함께 작용하여 중질유를 분해한다. 수소화반응 (HYDROGENATION)과 분해반응(CRACKING)이 연속적으로 일어난다. 

 

그래서 접촉분해(FCC)보다 다양한 반응을 이용할 수 잇다. 촉매의 종류나 조업조건을 변경함에따라 다양한 종류의 

 

중질유를 다룰 수 잇다는게 특징이다. 즉 공정의 유연성이 좋다.

 

HCR공정은 반응기 개수와 배치에 따라 유형이 달라지는데 일반적으로

 

반응기 2기가 배치된 TWO STAGE에 대해 알아보겟다.

 

출처 Petroleum Refining in Nontechnical Language

 

1. 1ST STAGAE.

 

위 그림 1ST STAGE의 주 목적은 FEED된 VGO내 N과 S의 제거다. VGO는 다량의 H2와 함께 FEED된다.

 

반응기 내부는 촉매가 고정된 층으로 존재하는데, 촉매는 수소가 N,S와 반응하는 것을 촉진한다.

 

이 과정에서 S는 H2S로 N은 NH3로 형태가 바뀌어 제거된다. 수소화반응뿐 아니라

 

탄화수소의 분해(CRACKING) 역시 일어나지만 수율이 높지 않다. 본격적인 분해는 2ND 반응기 에서 일어난다.

 

2. HP SEPARATOR

 

1ST 반응기에서 나온 제품에 HP를 가한다. 그러면 분자량이 큰 탄화수소는 응축되어 액체가 되고, 

 

분자량이 작은 탄화수소는 기체로 남아있다. 이 기/액 혼합물은 SEPERATOR에서 분리가 된다. 기체 상태인 H2는 

 

다시 반응기로 순환되어 RECYCLE되고, 액체인 탄화수소는 정류탑(FRACTIONATOR)로 보내진다. 

 

3. 정류탑 FRACTIONATOR

 

끓는점에 따라 LPG, 납사, 등유, 경유 등으로 분류되지만 전공정에서 충분히 탄화수소의 분해가 일어나지 않았기에

 

가라앉는 탄화수소는 2ND 반응기로 보내져 분해반응(CRACKING) 이 일어난다.

 

4. 2ND REACTOR

 

FRACTIONATOR에 가라앉은 중질유는 수소와 함께 2ND REACTOR로 보내진다. 이미 1ST STAGE를 거쳤기에 

 

분해를 하기 위해선 더 높은 온도와 압력이 요구된다. 이러한 조업 조건에서 탄화수소는 촉매에 의해

 

작은 분자로 잘라지고 (CRACKING), 이와 동시에 잘라진 부분에 수소가 달라 붙는다(HYDROGENATION). 

 

이후 분해된 탄화수소는 앞 공정과 마찬가지로 SEPARTOR를 거쳐 FRACTIONATOR에서 제품으로 분리된다. 

 

@@ 이 아래는 퍼온거.https://blog.naver.com/chemcorder/221060603800

Hydrogenation(수소화반응): 만능

 ◆ 일반적으로 고분자 중질유에는 다량의 벤젠고리가 있다. 벤젠고리는 굉장히 안정적이여서 RFCC 공정의 Catalytic Cracking으로는 분해하지 못한다. 그러나 HCR 공정은 수소화반응을 이용하여 벤젠고리를 깨뜨릴 수 있다. 고온, 고압일때 수소를 첨가하면 벤젠고리에 수소가 달라붙어 결합이 약해지고 이후 촉매를 이용하면 쉽게 분해된다. 즉, HCR은 RFCC보다 무거운 중질유를 다룰 수 있다.

◆ 수소화반응은 불포화탄화수소를 포화탄화수소로 바꿔주는 역할을 한다.(다중결합이 단일결합으로 변하는 것!) 불포화탄화수소는 반응성이 크기 때문에 쉽게 변질된다. 수소화반응을 이용하면 불포화탄화수소를 제거할 수 있기 때문에 좋은 경질유를 얻을 수 있다.

◆ 수소는 분해(cracking) 중 생기는 코크스(C)를 제거하는 역할도 한다. 탄소(C)가 수소기체(H2)와 만나면 메탄기체(CH4)가 된다. 따라서 공정내에 코크스가 쌓이지 않는다는 장점이 있다.

◆ 위의 공정에서 확인했듯이, 수소기체는 원료에 들어있는 불순물(황, 질소)을 제거할 수 있다. 황이나 질소는 대기오염을 유발하는 공해성 물질이다. 이러한 불순물을 수소와 반응하여 황화수소(H2S)나 암모니아(NH3)로 제거함으로서 고품질의 경질유를 얻을 수 있다.

비용이 많이 든다.

◆ 수소화반응을 이용하기 위해서는 고온(420˚C), 고압(20MPa)의 조건이 필요하다. 이러한 조업조건을 운영하는 데 많은 비용이 든다. 또한 공정설비가 고온, 고압을 견디려면 벽도 튼튼해야 하고, 규모도 커질 수 밖에 없다. 즉, 공정의 건설비도 많이 든다. 즉, HCR 공정은 운영, 건설 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

◆ 또한 지속적으로 수소기체를 투입해야 한다. 수소화 반응을 일으키려면 상당량의 수소기체가 필요한데, 수소기체를 공급하는 시설도 필요하다.

주로 경유(디젤)를 만드는 데 적합한 공정

◆ HCR은 벤젠고리를 분해하기 때문에 탄화수소의 옥탄가는 낮아 지고, 세탄가는 높아 진다. 때문에 HCR은 경유를 생산하는데 적합하다고 할 수 있다. (세탄가가 높을 수록 질 좋은 경유가 됩니다.)