원유 성분 분석, 원유의 화학적 특성에 따른 수율/성상

<INDEX>

• 원유 성분/물성 분석, 원유별 Assay 작성
• 정제설비별 최적 원유 배합/투입
• 원유 성상 분석 항목

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

지난 시간에는 '산유국별 주요 원유 유종, 국제 벤치마크 원유 종류'를 정리했는데요.

2024.11.14 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 산유국별 주요 원유 유종, 국제 벤치마크 원유 종류

산유국별 주요 원유 유종, 국제 벤치마크 원유 종류

 

오늘의 EnergyTok 주제는 '원유 성분 분석, 원유의 화학적 특성에 따른 수율/성상'입니다.

 

원유는 기본적으로 액체 탄화수소를 주성분으로 하는 혼합물(탄소수 1~400 이상)로 각 물성에 따라 다양하게 분류됩니다. 원유 성분을 분석하여 크게 나누어보자면 탄소함량이 80~85%, 수소 12~15%, 기타 원소(황, 질소, 산소) 1~3% 등으로 나뉘어집니다. 즉 주성분은 탄화수소이지만 황화합물, 질소화합물, 산소화합물, 금속염류 등 불순물이 섞여있는 것입니다. 

 

원유 성분/물성 분석, 원유별 Assay 작성

 

1) 액체 탄화수소 분자식 예시

C3H8, Propane

 

원유는 수 많은 탄화수소로 구성되어 있습니다. 원유의 품질은 결과적으로 정제하여 생산되는 최종 제품에 휘발유, 경유 등 경질 유분이 많고 적음을 기준이 되기에 비중에 의해 경질원유와 중질원유로 구분됩니다.

2023.04.12 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 탄화수소 종류와 명명법, 화학식(방향족, 지방족)

탄화수소 종류와 명명법, 화학식(방향족, 지방족)

2024.10.24 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 탄화수소 혼합물로서의 석유 화학적 특성 이야기

탄화수소 혼합물로서의 석유 화학적 특성 이야기

 

2) 산유국 주요 유종 품질

 

3) 원유 성분 분류

원유는 비슷한 지역에서 채굴된 원유라고 할 지라도 화학적 성상에서도 많은 차이가 있습니다. 통상 석유의 주성분인 탄화수소의 종류에 따라 나프텐기 원유(아스팔트기 원유), 파라핀기 원유, 혼합기(중간 성상) 원유로 분류되는데요. 나프텐기 원유는 성분 중에 나프텐계의 탄화수소를 많이 함유하고 있고, 아스팔트 성분이 많이 함유하고 있는 원유를 아스팔트 원유라고합니다. 이들 원유에서 생성되는 휘발유는 옥탄가가 높아 휘발유 품질이 좋고, 다량의 아스팔트를 생산할 수 있으나, 등유, 경유의 품질은 다소 나쁜 편입니다. 일반적으로 중유 분의 응고점이 낮고 파라핀왁스가 적기 때문에 간단한 처리로 윤활기유를 제조할 수 있으나, 그 품질은 그다지 좋지 않은 편입니다. 대표적인 나프텐기 원유 유종으로는 미국 캘리포니아 원유, 텍사스 원유, 멕시코 원유, 베네수엘라 원유 등이 있습니다. 

 

반대로 파라핀기 원유는 파라핀계 탄화수소를 많이 함유한 원유로서 등유와 경유의 품질은 우수하나, 휘발유의 옥탄가는 낮은 편입니다. 중질유분의 응고점은 비교적 높이나, 납 성분을 제거해 고품질의 윤활기유를 제조할 수 있습니다. 일반적으로 아스팔트분은 적고 파라핀왁스 성분이 높은 편입니다. 대표적으로는 미국의 펜실베니아 원유, 사우디 아라비안 라이트, 중국의 Daqing 원유 등이 파라핀기 원유로 언급됩니다. 

2024.05.12 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 탄화수소 종류, 탄화수소 결합, 분류, 특성, PONA 함량

탄화수소 종류, 탄화수소 결합, 분류, 특성, PONA 함량

 

그러나 이와 같은 분류와 달리, 전세계 대부분의 원유는 양자의 중간성질을 가진 혼합기 원유이며, 실제로 각 원유 유분이 가지는 결점 대부분이 오늘날의 원유 정제기술로 해결될 수 있어, 자사 공정에 투입을 시키기한 원유를 최적화하여 세부 정제공정을 통해 성상이나 각 제품별 수율이 크게 달라지지 않도록 관리를 하고 있습니다. 그러나, 일반적인 연료유 제품은 어떠한 원유에서든 생산되고 품질도 큰 차이가 나지 않으나, 특수한 석유제품의 경우는 특정 원유로 한정되는 경우도 많습니다.

 

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정제설비별 최적 원유 배합/투입

 

한 개의 상압증류탑(CDU 설비, A-Tower)에 한가지 종류의 원유가 들어간다고 생각되기 쉽지만, 실제는 그렇지 않습니다. 각 유종별 정제마진 등을 고려하여, 생산 모듈 최적화를 위해 다양한 Origin의 원유를 사전에 Blending, 배합하여 각 CDU에 투입할 준비를 마칩니다. 일반적으로 국내 정유사는 보다 저렴한 가격의 고유황 원유(Arab Heavy, Kuwait, Murban 원유)를 약 90% 이상 정유공정에 투입하고 있습니다. 다만, 일부 설비 및 특정 유종 생산의 최적화를 위해 Arab Light, WTI와 같은 경질 원유 등도 Blending하여 정유 공정용 Feed를 관리하고 있습니다. 이와 같은 분류는 어디까지나 편의적인 것으로 실제로는 각 유분(溜分)의 품질상의 결점은 대부분 정제공정에서 해결될 수 있다. 원유에 따라 성상이나 수율이 크게 다르기 때문에 정제에 있어서 필요로 하는 장치도 달라지게 된다. 일반적으로 연료유는 어느 원유에서든지 얻을 수 있으나, 특수한 석유제품은 원유도 한정되는 경우가 많다.

 

원유 성상 분석 항목

 

1) API도 = 141.5/비중(60/60F)-131.5

- API( American Petroleum Institute ) 낮을수록 중질원유, 높을수록 경질원유

- 주요 석유제품의 API도 (물 : 10)

*Naph: 70

*쿠웨이트산 원유: 30

*Asphalt: 5

 

API도란 미국석유협회가 제정한 비중 표시 방식으로, 비중은 화씨 60도(섭씨 15.6도) 온도에서의 물에 대한 석유의 무게비중을 말하며 보통 API 30도 이하를 중질원유, API 34도 이상을 경질원유로 분류합니다. 원유 트레이딩 시장에서도 거래 기준점으로서 API도가 쓰이는데, 보통 API도가 높을수록(경질 원유일수록) 정제과정에서 경질유분 생산량이 많고, API도가 낮을수록 상대적으로 부가가치가 낮은 중질 석유제품의 생산량이 많기 때문입니다.

 

2) Distillation : 증류점 

- 비점, Boiling Point) 별 수율 규명

 

3) 불순물 함량 

Stream별 불순물 함량 규명 -S(유황), Salt(염분), 금속(Ni, V, Ca...) 등을 말합니다. 특히 황함량은 환경문제로 중요시되고 있는 Spec.으로 원유 중 황함유율(중량%)이 1% 이하인 원유를 저유황 원유로 분류하고 2% 이상의 원유를 고유황 원유로 분류합니다. 

 

4) API도 = 141.5/비중(60/60F)-131.5기타 물성

- 점도(Viscosity), 증기압, PONA(Paraffins, Olefin, Naphthene, Aromatics) 함량 등

 

 

이상 '원유 성분 분석, 원유의 화학적 특성에 따른 수율/성상' 정리였습니다.

다음 글에서는 '정유사 원유 전처리 주요 단계와 원리'를 정리하겠습니다.