정유소는 어떻게 작동하는가

• 정유소는 수천 가지 화학물질이 섞인 원유를 증류·분해·개질·처리 공정으로 나눠 휘발유, 디젤, 제트 연료, 윤활유 같은 제품으로 바꿈
• 핵심 첫 단계인 상압 증류는 분자마다 끓는점이 다른 성질을 이용해 원유를 여러 분획으로 나누며, 정유소에 들어온 원유는 염분 제거 뒤 약 650~750°F까지 가열됨
• 무거운 분획은 접촉 분해, 감압 증류, 열분해, 코킹 등을 거쳐 더 가볍고 가치 있는 분자로 바뀌며, 접촉 개질·이성질화·수소화 처리로 구조와 품질도 조정됨
• Chevron Richmond 정유소는 하루 약 25만 배럴을 처리할 수 있고, 상압 증류·감압 증류·접촉 분해·접촉 개질 설비를 조합해 여러 석유 제품을 만듦
• 정유소의 능력은 하루 처리량만으로 충분히 드러나지 않으며, Nelson Complexity Index는 각 공정의 처리 용량과 복잡도 계수로 정유소가 얼마나 다양한 고도 정제 제품을 만들 수 있는지 나타냄

석유와 정유의 기본 구조

• 세계는 하루 1억 배럴 이상의 석유를 소비하며, 2023년 기준 석유는 전 세계 에너지 사용의 30%를 차지해 단일 에너지원 중 가장 큰 비중을 가짐
• 화학 제조에서 석유와 가스의 비중은 더 크며, 화학 원료의 90%가 석유나 가스에서 유래함
• 원유는 땅에서 나올 때 수천 가지 화학물질이 섞인 복합 혼합물이며, 정유소는 이 혼합물을 실제로 쓸 수 있는 화학물질과 제품으로 바꿈
• 대형 정유소는 수천 에이커 규모의 부지를 차지하고 건설비가 수십억 달러에 이르며, 하루 수십만 배럴의 원유를 처리함
• 원유는 주로 고대 바다 바닥에 가라앉은 플랑크톤과 조류 같은 유기물이 퇴적물에 덮인 뒤 수백만 년에 걸쳐 변한 액체임
• 원유 성분의 대부분은 탄화수소이며, 프로판처럼 단순한 분자부터 아스팔텐처럼 수천 개 원자를 포함할 수 있는 복잡한 분자까지 포함함
• 아스팔텐은 엄밀히는 탄화수소가 아니며, 탄소와 수소가 대부분이지만 황이나 중금속 같은 다른 원자도 포함할 수 있음
• 원유는 산지에 따라 조성이 다르며, 캐나다 오일샌드 같은 곳의 중질유는 무거운 분자가 많고, 사우디아라비아 Ghawar 유전 같은 곳의 경질유는 가벼운 분자가 많음
• 북해 Brent 유전의 원유 같은 저유황유는 황 함량이 낮고, 멕시코만 일부 원유 같은 고유황유는 황 함량이 높음

증류로 원유를 나누는 방식

• 정유소의 가장 중요한 공정은 증류이며, 원유 안의 서로 다른 분자가 서로 다른 온도에서 끓고 다시 액체로 응축되는 성질을 이용함
• 작고 가벼운 분자는 낮은 온도에서 끓고 응축되며, 크고 무거운 분자는 더 높은 온도에서 끓고 응축됨
• 원유의 끓는점 범위는 증류 곡선으로 표현할 수 있으며, 예시 곡선에서는 약 350°C에서 원유의 절반이 끓어 나오고 525°C에서 약 80%가 끓어 나옴
• 휘발유는 단일 화학물질이 아니라 주로 탄소 원자 4~12개를 가진 탄화수소 혼합물임
• EIA는 완성 휘발유를 10% 회수점에서 화씨 122~158도, 90% 회수점에서 화씨 365~374도의 끓는점 범위를 갖는 물질로 정의함
• 회수점은 액체의 해당 비율이 기화된 뒤 수집되는 온도를 뜻함
• 정유소에 들어온 원유는 먼저 염분을 제거한 뒤 약 650~750°F까지 가열되어 대부분이 증기로 바뀜
• 증기는 여러 높이에 액체가 담긴 트레이가 있는 긴 증류탑으로 들어가며, 위로 올라가면서 각 트레이의 액체를 통과해 조금씩 식음
• 가장 무거운 분자는 증류탑 아래쪽에서 먼저 응축되고, 더 가벼운 분자는 위쪽에서 나중에 응축되며, 가장 가벼운 분자는 끝까지 기체로 남아 탑 상단으로 빠져나감
• 가장 무거운 분자는 처음부터 액체 상태로 남아 증류탑 바닥으로 빠져나가며, 이 방식으로 서로 다른 무게의 분자들을 분리할 수 있음
• 거의 모든 정유소는 먼저 원유를 증류탑에서 여러 분획으로 나누며, 이 첫 단계는 대기압에서 이뤄지기 때문에 상압 증류라고 불림

주요 정유 공정

• 가스 플랜트

  • 상압 증류탑 상단에서 나오는 가스는 프로판, 메탄, 부탄, 이소부탄 등 여러 가벼운 분자의 혼합물임
  • 정유소는 이 혼합물을 분리하기 위해 여러 증류탑으로 구성된 가스 플랜트로 보낼 수 있음
  • 예를 들어 debutanizing tower는 부탄, 프로판, 더 가벼운 가스를 나머지 혼합물에서 분리하고, depropanizing tower는 프로판을 부탄에서 분리함
  • 가스 플랜트로 보내지는 대부분의 가스는 이중 결합이 없으며, 이중 결합이 없는 탄화수소는 수소 원자를 최대로 가진 포화 탄화수소라서 이런 설비를 sats gas plant라고 부름

• 접촉 분해

  • 증류탑 바닥에서는 무거운 액체가 나오며, 증류 과정에서 한 번도 증발하지 않은 가장 무거운 분자는 잔사유로 불림
  • 무거운 분자 상당수는 그 자체로 가치가 높지 않아, 정유소의 중요한 기능 중 하나는 중유 같은 무거운 분획을 휘발유 같은 더 가볍고 가치 있는 분획으로 쪼개는 분해임
  • 분해는 자동차 사용 증가로 커진 휘발유 수요에 맞춰 원유 한 배럴에서 더 많은 휘발유를 얻기 위해 20세기 초에 발명됨
  • 오늘날 대부분의 정유소는 접촉 분해를 사용하며, 상압 증류에서 나온 무거운 분획을 촉매와 섞고 열과 압력을 가해 무거운 분자를 가벼운 분자로 나눔
  • 이후 사이클론 분리기로 무거운 촉매를 혼합물에서 분리해 세척·재사용하고, 분해되어 증발 가능한 기름은 다시 증류탑으로 보내 여러 분획으로 나눔
  • 대부분의 접촉 분해는 유동 접촉 분해이며, 무거운 분획과 섞이면 유체처럼 움직이는 모래 같은 촉매를 사용함
  • 회사마다 서로 다른 유동 접촉 분해 공정을 개발했고, 정유소 하나가 공정의 여러 지점에서 여러 접촉 분해기를 사용할 수 있음

• 감압 증류

  • 높은 열에서는 증류탑 안에서도 분해 반응이 일어날 수 있지만, 분해는 증류 과정을 방해하기 때문에 정유소는 상압 증류 온도를 약 650~750°F로 제한함
  • 이 제한 때문에 증류탑 바닥에는 끓지 않은 무거운 탄화수소 혼합물이 남음
  • 이 혼합물을 더 분리하려면 온도를 더 올려야 하지만, 그러면 분해가 시작될 수 있어 상압 증류로는 처리하기 어려움
  • 해결책은 혼합물을 거의 진공에 가까운 낮은 압력의 별도 증류탑으로 보내는 감압 증류 또는 vacuum flashing임
  • 낮은 압력에서는 끓는점도 낮아져, 무거운 분획을 분해가 시작될 만큼 가열하지 않고도 증류할 수 있음

• 열분해와 코킹

  • 감압 증류에서 나온 일부 무거운 분획은 곧바로 접촉 분해 장치로 보내 더 가벼운 분자로 나눌 수 있음
  • 감압 증류탑 바닥에서 나온 가장 무거운 분자는 촉매를 오염시키는 중금속을 포함하거나 촉매를 막는 코크스를 만들기 쉬워 접촉 분해에 적합하지 않음
  • 이런 매우 무거운 분자를 분해하기 위해 일부 정유소는 열을 이용해 분자를 쪼개는 열분해 공정을 사용함
  • 코커는 가장 무거운 분자를 더 가벼운 분자와 코크스로 쪼개는 열분해 장치임
  • 가벼운 분자는 증류탑으로 보내 분리하고, 코크스는 연료로 태우거나 알루미늄 제련용 전극 같은 제조 투입물로 사용할 수 있음
  • 비스브레이킹은 일부 분자를 분해하고 남은 분획의 점도를 낮추는 열분해 방식임

• 분자 구조를 바꾸는 공정

  • 접촉 개질은 끓는점이 약 122°F~400°F인 나프타 분획을 촉매가 있는 상태에서 열과 압력에 노출해 휘발유 제조에 쓰이는 reformate라는 새 화학물질 혼합물을 만듦
  • 이성질화는 부탄 같은 분자의 물리적 배열을 바꿔, 화학식은 같지만 구조가 다른 이성질체를 만듦
  • 수소화 처리는 촉매가 있는 상태에서 원유 분획을 수소와 반응시켜 불순물을 제거하고 품질을 높임
  • 수소화 분해는 수소화 처리와 접촉 분해를 결합하고, 잔사유 수소화 전환은 수소화 처리와 열분해를 결합함

• 저장 설비

  • 정유소는 여러 공정의 입력과 출력을 저장하기 위해 수백만 갤런의 액체를 저장할 수 있는 탱크 팜을 갖춤
  • 프로판과 부탄 같은 가스는 일반적으로 지상 탱크, 지하 공동, 염돔 안에서 압축 액체로 저장됨

Chevron Richmond 정유소의 공정 배치

• Chevron Richmond 정유소는 캘리포니아 Richmond에 있는 중대형 정유소로, 하루 약 25만 배럴의 원유를 처리할 수 있음
• 부지 남쪽 절반은 탱크 팜이 차지하고, 처리 구역은 북쪽과 동쪽을 둘러싸는 형태로 배치됨
• Chevron Richmond는 약 25만 7천 배럴의 상압 증류, 약 12만 3천 배럴의 감압 증류, 약 9만 배럴의 접촉 분해, 약 7만 1천 배럴의 접촉 개질 용량을 갖춤
• Chevron Richmond에는 코킹 용량이 없지만, Los Angeles의 Chevron El Segundo 정유소에는 코킹 설비가 있음
• Chevron이 과거 이 정유소를 크게 개조하면서 캘리포니아 환경 품질 법규 준수를 위해 제출한 상세 환경영향보고서에 공정 흐름도가 포함되어 있음
• 정유 과정은 상압 증류에서 시작되지만, 일부 heavy gas oil은 증류 과정을 건너뛰고 처리됨
• 상압 증류로 분리된 분획은 다른 공정으로 보내지며, 경질 가스는 가스 플랜트로, 나프타는 수소화 처리·접촉 개질·이성질화로 이동함
• 제트 연료와 디젤 연료는 각각의 수소화 처리 공정으로 보내지고, 더 무거운 분획은 여러 접촉 분해 공정으로 보내짐
• 최종 산출물은 중유, 디젤, 제트 연료, 윤활유, 휘발유 등 여러 원유 제품임

정유 능력과 복잡도

• 미국에는 운전 가능한 정유소가 132곳 있으며, 합산해 하루 1,800만 배럴 이상의 원유를 정제할 수 있음
• 미국 정유소는 텍사스와 루이지애나의 걸프 연안에 강하게 집중되어 있고, 뉴저지·중서부·캘리포니아에도 군집이 있음
• Chevron Richmond는 미국 내에서도 큰 편이지만 최대급은 아니며, 미국 정유소의 약 5분의 1은 Chevron Richmond와 비슷하거나 더 큼
• 미국에는 하루 50만 배럴 이상을 정제할 수 있어 Chevron Richmond의 두 배가 넘는 규모인 정유소가 6곳 있음
• 인도의 Jamnagar 정유소는 원시 처리 용량 기준 세계 최대 정유소이며, 하루 140만 배럴의 원유를 정제할 수 있음
• 하루 처리 배럴 수는 본질적으로 상압 증류 용량을 뜻하므로, 정유소가 실제로 어떤 제품을 만들 수 있는지는 이 수치만으로 충분히 드러나지 않음
• 단순한 정유소는 상압 증류만 갖출 수 있지만, 복잡한 정유소는 다양한 고도 정제 제품을 만들기 위해 긴 공정 연쇄를 갖춤
• Nelson Complexity Index는 정유소가 갖춘 각 공정의 처리 용량에, 해당 공정의 비용을 상압 증류와 비교한 복잡도 계수를 곱하고, 이를 상압 증류 용량으로 나눠 복잡도를 계산함
• 예를 들어 상압 증류 10만 배럴과 감압 증류 5만 배럴을 가진 정유소에서 감압 증류의 복잡도 계수가 2라면 지수는 1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2가 됨
• 여기에 복잡도 계수 6인 접촉 분해 2만 5천 배럴을 추가하면 지수는 1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5로 올라감
• 미국 정유소는 대체로 복잡하며, 2014년 기준 복잡도 지수 2 이하인 정유소는 3% 미만이고 평균 복잡도 지수는 8.7이었음
• 2014년 Chevron Richmond의 복잡도 지수는 14로 미국 평균보다 높았음
• Jamnagar 정유소는 세계 최대일 뿐 아니라 복잡도 지수가 21로, 사실상 미국의 거의 모든 정유소보다 복잡한 수준임

규모가 만드는 산업적 의미

• 정유 공정의 배치는 매우 복잡할 수 있지만, 많은 개별 공정은 개념적으로는 의외로 단순함
• 정유가 비싼 이유는 공정 자체의 복잡성만이 아니라 처리해야 하는 물질의 물량이 매우 크기 때문임
• Chevron Richmond 정유소는 작은 도시만 한 규모이며, Very Large Crude Carrier 한 척의 전체 원유를 일주일 조금 넘는 기간에 처리할 수 있음
• Chevron Richmond는 특별히 큰 정유소가 아니며, 미국에는 그와 같거나 더 큰 정유소가 25곳 있고 두 배 이상 큰 정유소도 6곳 있음
• 전 세계 석유 수요를 유지하려면 Richmond 크기의 정유소 약 400곳이 필요함
• 미국은 매일 2,000만 배럴 이상의 석유를 소비하며, 이 소비를 가능하게 하려면 거대한 정유소 복합체가 필요함