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정제
정제(purification)는 화합물의 순도를 높이기 위해 이루어지는 공정이다. 정련(精鍊)이라고도 한다. 정제의 방법으로는 고체의 경우 용해도의 차이를 이용하여 재결정이나 분별결정으로, 기체나 액체의 경우 증기압의 차이를 이용한 증류나 분별증류 및 분배, 흡착, 이온교환 크로마토그래피법 등을 통해 정제가 가능하며. 광석에서 불순물을 제거하고 금속을 뽑아내거나 석유를 정제하여 연소율을 높이는 등의 과정은 모두 정제에 속한다. 전자공학에서는 규소나 그 밖의 반도체가 불순물을 제어하는 데 유용하게 사용되고 있다.
개요
정제는 화합물의 순도를 높이기 위해 이루어지는 과정이다. 보통 천연 자원은 처음부터 거의 사용 가능한 형태이나, 순수한 형태로 만들 경우 유용하게 사용할 수 있게 된다. 예를 들어 천연 상태의 석유는 뽑아낸 상태에서도 불에 탈 수 있으나, 연소가 뛰어나지 못하고 여러 불순물, 부산물들로 엔진을 망가뜨릴 위험이 있다. 이때 석유 정제를 거쳐 순수한 형태의 석유를 뽑아내 사용하게 된다. 넓은 의미에서 정련은, 상당히 큰 물질의 변화를 이끌어낼 수도 있는데, 그 예로 광석에서 금속을 뽑아내는 경우가 있다.
액체의 정련은 보통 증류 또는분별 증류를 통해 이루어지게 된다. 기체 역시 온도를 낮추거나 압력을 가하여 액화시킨 다음 액체와 같은 방법으로 정련할 수 있다. 기체와 액체는 특정한 용매로 원하는 물질만 녹여내는 (혹은 원하지 않는 물질만 녹여 제거하는) 용매 추출법을 통해 정련할 수도 있다.
많은 고체들의 경우 혼합 용액에서 결정을 키워 정련할 수 있다. 결정은 일반적으로 우리가 원하는 원소만이 모이고 다른 것들은 배제된다.
화학 반응으로도 특정한 불순물들을 제거할 수 있다.
전자공학에서는 규소나 다른 반도체가 불순물을 정밀하게 제거하는 데 유용하게 사용되며, 구역 정제 등 다양한 특수 테크닉이 개발되어있다.
배경
자연계에 존재하는 것은 대부분 혼합물이다. 그 성분이 가장 많은 것을 기준으로 하고, 그것에 비해서 분량이 적은 것을 불순물이라고 한다. 물질로부터 불순물을 제거하는 조작을 정제라고 한다. 화학에서는 물질의 성질을 조사하는 일이 많으므로 그 물질로서는 가급적 순수한 것이 바람직하다.
수단
액체인 경우에는 증류를 되풀이하여 끓는점이 일정한 것을 모은다. 혼합물은 순수한 물질보다 끓는점이 높은 것이 보통이므로, 증류하여 끓는점이 낮아지면 아직 순수하지 않고, 끓는점이 변하지 않으면 순수하게 되었다고 생각할 수 있다. 고체로서 결정을 이루는 것은 재결정을 반복한다. 혼합물의 녹는점은 순수한 물질보다 낮으므로, 재결정하여 그 이상 녹는점이 올라가지 않게 되어 일정 온도가 되면 거의 순수하게 되었다고 생각해도 좋다. 물질에 따라서는 끓는점이 일정하게 되어도 공비 혼합물을 이루는 경우도 있다.
정제의 대상
석유정제
석유정제에는 원유의 주성분인 탄화수소의 혼합물들을 비등점 차이에 따라 분류하는 증류과정과 이 증류과정을 통해 뽑아 낸 여러 가지 유분 중에 포함되어 있는 불순물 을 제거하고, 또 촉매를 첨가하여 탄화수소에 반응을 일으켜 성질이 다른 탄화수소를 만들어 내는 전화(분해, 개질)과정이 있다. 이와 같은증류, 탈황, 분해, 개질 등의 공정을 총칭하여 석유 정제라고 한다.
- 석유제품별 비점
상압증류탑에서 원유를 가열할 경우, LPG는 -42~1도, 휘발유 및 나프타는 30~120도, 등유 및 제트연료유는 150~280도, 경유는 230~350도, 아스팔트 및 잔사유는 300도 이상에서 생산된다.
석유정제방식
원유의 증류
증류란 원유를 구성하고 있는 탄화수소를 그 비등점의 차이에 따라 분류하는 공정으로 2가지 방법이 있다.
- 석유제품별 비점 : 대기압과 같은 상온에서 비등점 차이로 분류, 이 공정을 통해 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 중질유 등의 제품이 생산됨
- 감압증류 : 대기압보다 낮은 압력하에서 시행되는 증류로 중질유는 고온에서 증류하면 열분해하여 품질이 열화되고 수율이 낮아짐에 따라 낮은 온도에서 비등할 수 있도록 압력을 낮추어 증류하여 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 중질유 등의 제품을 생산
탈황방식
먼저 수소화정제법을 들 수 있다. 수소화정제법은 원료유를 수소와 혼합하여 고온고압하에서 주로 코발트-몰리브데-알루미나계의 촉매를 사용하여 반응시킴으로써 황, 질소, 산소화합물 등을 제거하는 방법이다.
또한 황성분을 제거하기 위해 산이나 알카리 세척을 이용한 화학적 정제법이 사용되기도 한다. 이 방법은 현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 방법이라 한다.
전화
전화란 가치가 적은 석유유분을 여러 방법으로 화학변화시켜 전보다 우수하고 새로운 석유제품으로 바꾸는 것으로서 고옥탄가의 휘발유, 개질휘발유 등의 제조를 위해 개발된 방법이다. 전화방법으로는 열분해, 접촉분해, 개질, 수소화분해, 이성화, 알킬화 등의 방법이 있는데, 이중 접촉분해, 개질, 수소화분해가 중요하다.
- 열분해 : 중질유를 원료로 하여 열분해를 통해 원료유보다 저점도의 중유와 경유를 제조하는 방법이다.
- 접촉분해 : 등유 이상의 고비점 유분을 촉매 존재하에 고온에서 분해하여 높은 수율로 고옥탄가의 가솔린을 제조하는 방법으로 촉매로는 silica-alumina계나 합성 zeolite와 같은 고체산을 사용한다.
- 개질 : 옥탄가가 낮은 나프타성분을 변화시켜 고옥탄가의 가솔린으로 개질하는 방법으로 개질의 종류로는
- 열 개질법 : 가솔린의 수율이 낮고 안정성이 떨어져 잘 사용하지 않음
- 접촉개질법 : 중질가솔린 유분을 수소 기류중에서 고온가압하에서 촉매와 접촉시켜 고옥탄가의 가솔린을 얻는 방법이 있음
- 수소화분해 : 수소기류 중에서 촉매를 사용하여 원료유를 고온고압하에서 분해하여 나프타나 중간유분을 제조하는 방법으로 이 공법의 특징으로는
- 광범위한 원료유의 처리가 가능하고 탈황이나 분해를 동시에 시행
- 분해조건을 바꿈으로서 각종 분해 생성률의 수율을 광범위하게 바꿀 수 있음
- 경질가스나 탄소의 생성이 적으며, 원료에 대한 수율은 120%까지 달할수도 있음
- 분해와 동시에 탈황, 탈질소, 수소화도 행할 수 있으므로 제품은 고품질임
- 이성화(에테르화공정) : 직류 탄화수소로부터 분기 탄화수소의 생성, 또는 분기도가 높은 탄화수소를 생성하는 방법으로 특히 N-파라핀으로부터 알킬화의 원료로 사용되는 이소부탄의 제조와 고옥탄가 연료로서의 아소펜탄과 이소핵산의 제조가 중요하다.
- 알킬화 : 알킬기를 어떤 화합물에 부가시키는 조작으로 공업적으로는 에틸벤젠, 도테실벤젠 등 의 석유화학제품의 제조를 목적으로 하는 것과 파리핀과 올레핀으로부터 고옥탄 가솔린의 제조를 목적으로 하는 것이 있다.
- 중질유 분해공정에 대하여
중질유분해공정은 수소수첨분해공정, FCC공정, Delayed cocker공정, RHDS공정 등이 있다.
수송수첨분해공정은 비등점이 350도 이상인 Reduced crude(잔사유)를 원료로 하여 크래킹하기 위해 수소을 첨가하는 공정으로 이 공정은 중질류로 등유나 경유를 생산하기 위해 주로 사용된다.
FCC공정은 수소를 첨가시키지 않고 크래킹하는 것으로 주로 가솔린을 제조하는데 주로 사용된다.
Delayed cocker공정은 크래킹이 일어나면서 카본덩어리가 생산되어 cocker 상태로 존재한다.
마지막으로 RHDS공정은 상기 분해공정과는 달리 탈황만 전문적으로 하는 공정이다. 따라서 이 공정을 사용하기 위해서는 초 저유황유를 사용하는 것이 일반화되어 있다.
참고자료
- 〈https://www.scienceall.com/%EC%A0%95%EC%A0%9Cpurification/〉, 《사이언스올》
- 〈정련〉, 《위키백과》
- 〈석유정제과정〉, 《한국석유공사》
같이 보기
