Chapter 2-유기공업화학
Shared on September 20, 2026
석유 정제와 전화에 의한 석유 제품 생산
- content type: 강의 형식(LECTURE)
개요
- 석유의 용도와 중요성
- 고대부터 사용되었으나, 20세기 자동차 산업의 발전으로 연료로 대량 사용
- 에너지원 및 화학공업 원료로 인류 문명 발전에 기여
- 석유가 매장량이 많은 석탄보다 선호되는 이유
- 유동성으로 채굴·대량 수송 용이
- 비교적 높은 열량(kg당 원유 약 10,730 kcal vs 석탄 약 4,500 kcal)
- 화학적 변환 용이
- 불순물이 석탄보다 적은 편
- 미래 관점
- 석탄 활용 기술의 발전으로 석탄 활용 증가 가능성
핵심 개념
- 석유의 기원과 저장층
- 생물기원설(유기물) vs 무기기원설
- 매장량은 기술적·경제적 채취 가능 여부에 따라 추정
- 매장층은 anticline(배사구조)에서 다수 발견
- 매장량, 가채년수
- 확인 매장량: 기술적, 경제적 채취 가능 여부로 판단된 추정량
- 가채년수: 현 기술 기준 약 150년으로 추정(매장량의 30–40% 채취 가능)
- 석유의 종류 및 조성
- 파라핀계(포화탄화수소), 나프텐계(포화-고리화합물), 방향족계
- 대다수는 파라핀계와 나프텐계가 차지하며, 구성에 따라 파라핀계/나프텐계/혼합기 분류
- 정제와 전화의 기본 흐름
- 정제: 증류 및 불순물 제거를 통한 연료유·원료 생산
- 전화(Convertion): 가치 낮은 유분을 화학변화로 가치 증가
- 개질(Reforming) 및 분해(Cracking) 중심
- 전처리, 상압증류, 수소화정제, 가스/나프타 등 다양한 석유제품 생산
- 고옥탄가 가솔린의 필요성
- 옥탄가가 높은 가솔린은 고압축비에서도 폭발(knocking)을 억제
- 옥탄가 향상 방법: 가지구조 도입, 고리구조 형성, 방향족 탄화수소 관리
- 방향족계의 문제점
- 방향족은 옥탄가를 높이지만 엔진 찌꺼기 및 스모그 원인 가능
- 따라서 최종 연료에서 방향족은 분리 후 석유화학 원료로 사용
- 촉매 개질/분해의 핵심 반응
- 접촉개질: 촉매(실리카/알루미나 지지체 + Pt/ Pt- Re 등)와 함께 중질가솔린을 고옥탄가 가솔린으로 전환
- 접촉분해: 가지/고리구조 생성, 올레핀 형성, 고가치 화합물 생산
- 열분해: 촉매 없이 고온 열분해로 올레핀 생성(에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등)
- 수소화 분해, 알킬화, 이성질화, 중합 등 여러 경로로 고옥탄가 가솔린 제조
- 수소 생산과 수소의 활용
- 수소는 수증기 개질, 산소와 함께 고온 반응 등을 통해 대량 생성
- 황/질소 제거, 냄새 제거(스위트닝), 황화수소 및 질소화합물 제거 등 정제 공정에서 중요
상세 내용
- 석유의 매장량 특성
- 매장량 추정은 기술적·경제적 채취 가능성에 좌우
- 신유전 발견과 기술 발달로 가채년수는 연장될 가능성
- Oil sand, Oil shale의 매장량은 더 많지만 상업화 기술 필요
- 석유의 기본 구성
- 탄화수소: 파라핀계(포화), 나프텐계(고리화합물), 방향족계
- 원소 구성에서 황, 산소, 질소의 미량 불순물 존재
- 석유 내부에는 올레핀계나 아세틸렌계 등 고반응성 화합물은 일반적으로 많지 않음
- 정제 공정의 구체
- 전처리: 불순물 및 황 제거
- 상압증류: 가스, 가솔린, 중질류 등 분류
- 감압증류: 잔류물 정리 및 윤활유 분리
- 수소화 정제: 황, 질소, 산소 불순물 제거 및 황화수소 황 제거
- 옥탄가 관리 및 개질/분해의 세부 반응
- 접촉개질: 가지/고리구조 형성, 옥탄가 상승
- 촉매 예: 실리카/알루미나 지지체 + Pt, Pt-Р, 또는 레늄
- 열분해: 라디칼 생성, β절단, 이성질화, 연쇄이동 등으로 분자량 감소 및 올레핀 생산
- β절단: 양이온의 β-탄소와 γ탄소 사이 결합 절단
- 고리화: 카보늄 이온이 이중결합 등에 첨가해 5-또는 6원환 형성
- 수소화 분해 및 알킬화: 수소 첨가 및 올레핀과 이소뷰테인 반응으로 고옥탄가 형성
- 이성질화 및 중합: n-파라핀->iso-파라핀, 저분자 올레핀의 중합으로 고옥탄가 생성
- 스위트닝
- 싸이올(-SH) 제거가 어렵거나 비효율적일 때 냄새 제거를 위한 무향화 과정
- 다이설파이드로의 산화로 악취 제거
- 수소의 제조 원리
- Steam reforming 및 산소 동반 반응으로 수소 생성
- 흡열 반응으로 고온 필요, 에너지 비용 증가 고려
- 산소를 혼합해 발열 반응을 보완하는 방식 가능
석유제품의 종류
- 가스/연료류
- LPG: 가정용, 자동차용 연료, 화학원료
- 가솔린: 옥탄가 90 이상 목표, 엔진용 연료 및 화학원료
- 제트연료: 고온 안정성 및 낮은 산소 함량 요건 충족
- 등유(kerosene): 난방/세정용, 도료용
- 경유(gas oil): 디젤 엔진용 연료
- 중유 및 잔류물
- 중유, 잔류: 세라믹/금속 정련 및 대형 디젤엔진 연료
- 나프타: 석유화학의 기본원료, 에틸렌/프로필렌 생산
- 윤활유: 기계의 마찰 감소용
- 납/아스팔트/석유코크스: 도로 포장, 도료, 전극 등 다양한 용도
실무적 시사점
- 한국의 석유화학 산업과 기술력
- 국내 강점: 촉매개질, 분해 및 정제 기술, 원료의 재활용 및 재생
- GS칼텍스, LG화학, 금호석유 등 주요 업체의 역할
- 원료의 다양성과 전략적 자원 확보
- 납사(낙타) 등 원료를 활용한 고부가가치 생산
- 오일샌드/오일쉐일 등 대체 원료의 개발 및 활용 가능성
- 환경 이슈 및 규제에 따른 공정 설계
- 방향족의 사용 제한 및 스위트닝 등 친환경적 개선 필요
결론
- 석유 정제와 전화 공정은 원유를 다양한 유분으로 분리하고, 이를 개질/분해/수소화/알킬화 등의 반응으로 고가치 석유화학 제품 및 고옥탄가 가솔린으로 전환하는 일련의 공정이다.
- 지속 가능한 공급망 확보와 환경 규제 대응을 위해 다양한 원료의 확보 및 효율적인 촉매/공정 최적화가 핵심이다.