정유사 원유 전처리 주요 단계와 원리

<INDEX>

• 정유사 원유 전처리 과정
• 원유 전처리 공정 종류
• 정유 설비별 최적 효율의 원유 배합/투입

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

지난 시간에는 '원유 성분 분석, 원유의 화학적 특성' 에 대하여 정리해보았는데요.

2024.11.20 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 원유 성분 분석, 원유의 화학적 특성에 따른 수율/성상

원유 성분 분석, 원유의 화학적 특성에 따른 수율/성상

 

오늘의 EnergyTok은 '정유사 원유 전처리 주요 단계와 원리'입니다.

 

정유사는 외국으로부터 원유를 수입하여 보관하는 Tank에서 물/염 등의 불필요한 성분을 최대한 제거한 이후 자사의 생산설비/모듈의 최적운영을 목표로 해당 원유의 수율과 물성을 규명하여 공정에 투입하게 됩니다.  꼭 단일 원유 유종만을 투입할 필요는 없으며, 분석된 원유 Assay와 각사의 생산설비/모듈 운영을 고려하여, 세계 각지에서 수입된 원유를 Blending 하여 우리가 일상생활에서 사용하는 LPG, 휘발유, 경유와 같은 정유제품을 생산하고 있습니다.

 

 

정유사 원유 전처리 과정

 

해외로부터 수입된 원유의 종류 및 석유제품 목적 생산물을 막론하고, 정유공장으로 도입된 원유는 본격적인 정유공정에 들어가기 앞서 아래의 관리 단계를 거쳐야합니다.

1) 불순물 제거 공정(전처리 공정)
2) 원유 성분/물성 규명 및 분석
3) 정유 설비별 최적 효율의 원유 배합/투입

 

1) 원유 성분/물성 규명 및 분석

정유사 엔지니어는  세계 각지에서 정유공장으로 도입되는 원유가 그 성상이 상이함에 따라 석유제품을 생산하는 정제 공장 상의 온도, 압력 등 최적의 운전 조건도 변화를 주어야 하기에,  일반적으로 상기와 같은 항목 등을 분석하여 Crude Assay를 생성, 기록하여 원유 구매/공장 가동 의사결정을 지원합니다.

 

2) 정유사 엔지니어의 원유 Assay Data 생성

- 원유 도입/하역

- 원유 자체 성상 분석(신규유종/주요 유종/성상변동 유종 등 대상 선정)

- 원유 Cutting 실험(CDU 모사 원유 Cutting 실험 장비 활용 등)

- Crude Assay 생성 및 원유구매 의사결정 지원

- 원유 샘플 1개를 정제하는데 7일, 성분 분석 및 Assay 작성까지 통상적으로 3주 소요

- 원유의 배합 비율 조정 및 정유공장의 최적 운전 조건 등 설정

 

3) 원유 전처리 개념

천연 원유의 주성분은 탄화수소이지만 황화합물, 질소화합물, 산소화합물, 금속염류 등 불순물이 섞여있습니다. 이러한 불순물들은 석유제품의 품질을 저하시킬 뿐만 아니라, 정제설비 장치와 기구의 부식을 일으키거나, 촉매 독으로 작용해 생산제품의 수율저하를 야기할 수 있는 중대한 문제로 작용할 수 있습니다. 또한 배기가스 속에 섞여서 대기오염의 주요 원인이 되는 등 정유사 입장에서는 불순물을 정제하지 않고 정유공정에 그대로 넣게되면 설비의 부식 및 노후화, 생산제품의 수율 저하 등이 발생할 수 있어 주의가 필요합니다.

 

따라서 정유사는 해외에서 수입되어 저장/비축된 각기 다른 유종의 원유들을 자사 공정에 적합하게 배합되어 CDU 공정에 Feed-In 시키기 이전에, 염과 같은 불순물 제거를 위한 De-Salter 등의 처리과정을 먼저 거치게 됩니다. 전처리 공정을 거친 원유는 대규모 탱크에 저장되어 배합을 기다리게 되는데, 원유 저장탱크의 종류는 아래 이전 발행 글 링크를 참조 부탁드립니다.

 

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원유 전처리 공정 종류

 

1) 탈염 공정 (Desalting)

- 목적: 원유에 포함된 염분, 불순물, 물 제거
- 방법: 전기적 탈염(Electrical Desalting), 화학적 탈염(Chemical Desalting) 등

- 온도 조건 : 최적 온도 범위: 120°C ~ 140°C (248°F ~ 284°F)

   : 원유의 점도를 낮추어 물과 염분의 분리를 유도
   : 표면 장력을 감소시켜 물방울의 응집을 촉진
   : 온도가 너무 높으면 원유가 전도성을 띠게 되어 전기적 데살팅의 효율 감소.
   : 온도가 너무 낮으면 원유의 점도가 높아져 물과 염분의 분리가 어려움

- 압력 조건 : 압력 범위: 16 barg ~ 20 barg (232 psig ~ 290 psig)
   : 원유의 기화를 방지
   : 데살터 내에서 안정적인 유체 흐름을 유지

- 장비: 탈염장치(Desalter)

 

크루드 공급 펌프의 속도 제어기는 데살터 압력 제어기로부터 설정값을 받아 작동합니다. 압력은 데살팅 작업이 완료되기 전에 원유의 기화를 방지할 수 있을 만큼 충분히 높게 유지됩니다. 이러한 온도와 압력 조건은 데살팅 공정의 효율을 최적화하고, 원유에서 물과 염분을 효과적으로 제거하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 이러한 조건은 원유의 특성, 설비의 용량, 그리고 원하는 최종 제품의 품질 등에 따라 미세하게 조정될 수 있습니다.

원유 전처리 과정에서 물과 염을 제거하는 세부 공정기술은 아래와 같습니다.

(1) 전기적 데살팅 (Electrical Desalting)

(2) 화학적 데살팅 (Chemical Desalting)
- 원유에 물을 주입하고 전기장을 가하여 염분을 물에 녹여 분리
- 계면활성제(demulsifier)를 첨가해 혼합물의 유수 분리 촉진

(3) 기계적 분리 (Mechanical Separation)
- 중력 침전을 이용하여 물과 염을 분리
- 가열된 원유와 세척수를 큰 용기에서 침전
- 물과 염이 중력에 의해 침전

(4) 원심분리 (Centrifugal Separation)
- 고속 회전을 통해 밀도 차이로 물과 염을 분리
- 높은 g-force(4,000 - 6,000 x g)로 효율적인 분리

대부분의 현대 정유 공정에서는 전기적 데살팅과 화학적 데살팅을 조합하여 사용하며, 이를 통해 원유 내 염 농도를 5-10 PTB(Pounds per Thousand Barrels)로 낮출 수 있습니다

2) 예열 (Preheating)

- 목적: 원유 온도 상승으로 증류 효율 향상
- 방법: 열교환기를 통해 원유를 약 230-280°C로 가열
- 장비: 열교환기(Heat Exchanger) 원유 도입/하역

 

3) 슬러지 (Sludge) 제거

- 목적: 원유 내 점토, 모래, 자갈 등 고형물질 제거
- 방법: 원심분리기를 이용해 비중차로 분리
- 장비: 원심분리기(Centrifuge) 원유 도입/하역

 

4) 대기압 증류탑 투입 전 가열

- 목적: 원유를 증기 상태로 만들어 증류 준비
- 방법: 원유를 약 350-400°C로 가열
- 장비: 가열로(Furnace)

 

이러한 과정을 통해 원유의 품질을 향상시키고, 후속 정제 공정의 효율성을 높이며 설비 부식과 오염을 방지할 수 있습니다. 전처리된 원유는 상압 증류탑(CDU)으로 투입되어 본격적인 분리 공정을 거치게 됩니다.

2023.01.08 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - CDU 공정 (상압증류공정)

CDU 공정 (상압증류공정)

 

정유 설비별 최적 효율의 원유 배합/투입

 

1) 원유 수입과정에 따른 시차반영

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.

 

2) 워유 저장탱크 종류, 석유공사 비축유 저장 과리

2023.01.08 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 원유 저장탱크 종류, 한국석유공사 석유 비축, 저유소 사업

원유 저장탱크 종류, 한국석유공사 석유 비축, 저유소 사업

 

이상 '정유사 원유 전처리 주요 단계와 원리'를 정리였습니다.

다음 주제는 '전국 송유관 현황 및 석유재고 계측 운영 체계'입니다.