나프타(naphtha)는 원유를 증류할 때, 35∼220℃의 끓는점 범위에서 유출(溜出)되는 탄화수소의 혼합체이다. 중질(重質) 가솔린이라고도 한다.
개요
나프타는 보통 특정 탄화수소를 포함하고 특정 범위에서 끓는 석유나 콜타르(coal tar)에서 얻는 증류물과 같은 다양한 가연성 액체 탄화수소 혼합물을 가리킨다. 이는 석유의 액체 탄화수소 중에 가장 가볍고 가장 휘발성 강한 성분들을 가리키는 광범위한 용어이다. 나프타는 무색에서 적갈색을 띄는 휘발성, 방향성 액체로서 가솔린과 매우 비슷하다.
석유 공학에서 풀 레인지 나프타(full range naphtha)는 30 °C에서 200 °C 사이에서 끓는 탄화수소 성분으로 정의된다.[1] 이는 질량으로 원유의 15-30%를 차지한다. 나프타는 탄소수가 5~12개 사이인 혼합물로 구성된다. 경 나프타(light naphtha)는 30 °C에서 90 °C 사이에서 끓으며, 탄소 원자가 5~6개인 분자로 구성된다. 중 나프타(heavy naphtha)는 90 °C에서 200 °C 사이에서 끓으며, 탄소 원자가 6~12개인 분자로 구성된다.
분류
'나프타'는 분류 기준에 따라 서로 다르게 분류할 수 있다.
그 첫 번째 분류는 끓는점에 의해서 분류한 것이다. 경질 나프타는 30 °C에서 90 °C 사이에서 끓는 성분이며 탄소 원자가 5~6개인 분자로 구성되어 있고, 중질 나프타는 90 °C에서 200 °C 사이에서 끓으며, 탄소 원자가 6~12개인 분자로 구성된다.
또 다른 분류는 탄화수소의 구조에 따라서 분류하는 것이다. 이 분류에서는 경질 나프타는 탄소 원자 5개와 6개로 구성된 선형 및 고리형 탄화수소 화합물의 혼합물을 지칭하며, 중질 나프타는 탄소 원자 7개에서 9개로 이루어진 선형 또는 고리형 탄화수소 화합물의 혼합물을 말한다.
하지만, 때때로 이와 같은 분류는 너무 모호해서 유용하지 못한 경우가 많다.
용도
석유화학 연료
나프타는 한국 및 유럽의 석유화학공업에서 중요한 주원료이다. 원료 나프타로는 주로 라이트나프타(light naphtha:끓는점 35~130℃)가 쓰이는데, 헤비나프타(heavy naphtha:끓는점 130~220℃) 및 이 2가지를 함유하는 풀레인지 나프타(full-range naphtha)가 사용되기도 한다.
나프타분해에 의해 생기는 에틸렌·프로필렌·부탄·부틸렌 유분·방향족 등에서 많은 석유화학 반응을 거쳐 합성수지·합성고무·합성섬유 등이 제조된다. 미국에서는 풍부하게 산출되는 습성 천연가스에서 분리되는 에탄·프로판 유분 및 정유공장 폐(廢)가스가 주로 석유화학 원료로 사용된다.
나프타 분해 외에 나프타의 접촉개질(接觸改質:방향족 전환)에 의한 벤젠·톨루엔·크실렌의 제조, 접촉수증기 개질을 거치는 메탄올의 합성, 직접산화에 의한 아세트산의 합성, 고온열분해로 생성되는 아세틸렌과 에틸렌에 염소를 반응시키는 염화비닐의 제조 등 많은 용도가 있다.
암모니아 합성 원료
나프타를 접촉 수증기 개질을 하거나 또는 부분 산화에 의해서 먼저 수소를 제조한 다음, 공기에서 분리시킨 질소와 함께 암모니아 합성을 하여 질소 비료 등의 원료로 사용한다.
도시가스 합성원료
나프타를 접촉 수증기 개질하여 수소·일산화 탄소·메테인 등을 대량으로 함유하는 가스로 전환해 도시가스로써 공급한다. 이밖에 공업용 용제(溶劑)·세정(洗淨)·추출(抽出) 등에 이용하는 용매 나프타도 있다.
나프타 분해(Naphtha Cracking)
원유의 상압 증류 장치에서 얻은 가솔린 유분인 나프타를 750∼850℃에서 열분해하여 석유화학 제품의 기초 원료인 에틸렌·프로필렌·벤젠 등을 생성하는 반응으로 석유화학 공업에서 가장 중요한 제조 공정의 하나이다.
나프타 분해 방식으로는 기다란 반응관에 나프타와 수증기를 넣고, 관의 바깥쪽을 가스 버너로 가열하여 흡열 반응열을 공급하는 관식 가열로법과, 가열한 고체 입자 모양의 열매체(모래·코크스 등)를 유동 상태에서 접촉시키면서 나프타를 분해하고, 열매체 위에 침적한 탄소를 연소·재생시키면서 반응열을 공급하는 유동상식이 있는데, 관식 가열로법이 일반적으로 널리 이용된다.
관식 가열로법의 공정은 분해 공정과 분리 정제 공정으로 나누어진다. 이 방법에서는 수증기를 나프타의 20∼60%의 무게비로 가하고, 0.3∼1.5초 동안 분해한다. 수증기를 가하는 것은 반응관에 탄소가 침적하는 것을 방지하기 위해서이며, 단시간 내의 분해 공정을 통해 생성한 물질이 2차적으로 변하는 것을 방지할 수 있다. 고온에서 분해할수록 에틸렌 수득률은 증가하나, 반응관의 재료 선택 등 기술적인 문제가 따른다. 분해 생성물은 수소 외에 끓는점 400∼500 ℃의 광범한 물질을 포함하며, 이들을 증류에 의해 분리·정제하여 석유화학 원료를 얻는다. 다만, 분해 생성물 가운데 표준 상태에서 기체인 물질이 2/3 이상을 차지하여 저온·고압하에서 증류해야 하므로 냉동·압축에 큰 비용이 든다.
나프타 분해로 얻는 생성물의 비율은 에틸렌 20∼25%, 에테인 8∼10%, 프로필렌 15∼16%, 뷰틸렌류 8∼10%(그 중 뷰타다이엔이 약 40%), 펜테인류 4∼5%, 분해 가솔린 18∼20%(그중 방향족 물질이 약 90%), 분해 중유(끓는점 200∼500℃)가 3∼5%이며, 특정한 물질만을 선택적으로 생산할 수는 없다. 이밖에 1% 미만의 수소와 14∼16%의 메테인이 발생하는데, 전자는 에틸렌 중의 아세틸렌을 제거하는 공정에, 후자는 도시가스 등 연료용으로 각각 쓰인다.
참고자료
같이 보기
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