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석유화학
석유화학(石油化學, petroleum chemistry , Petrochemie)은 석유를 가공할 때 나오는 물질인 나프타 등을 이용해 플라스틱 등의 여러 합성 원료를 만들어 내는 화학 분야이다.
석유화학 공정의 선수과목은 단위조작과 반응공학이고 이쪽 과목 교수들은 화학공학과 출신으로 정유사에서 근무한 사람들이 많다.
정유산업에서 증류탑 공정을 통해 LPG·나프타·항공유·등유·휘발유·경유·중유 등을 분리한다면 그 중에서 다시 나프타를 화학적으로 분리하고 가공하는 것을 석유화학 산업으로 분류할 수 있다. 다만, 이제는 많은 정유사들이 기존 업스트림 중심의 공정에서 점차 다운스트림의 석유화학 공정으로 확대시켜 나가고 있는 추세이다. 석유화학 업계에서 기초 유분을 생산하는 방식은 크게 NCC(나프타 분해 설비), CTO(석탄에서 올레핀을 제조하는 공정), ECC(에탄 분해 설비)의 3가지로 나눌 수 있다. CTO는 환경오염 문제 때문에 주로 중국에서 상업적으로 가동하고 있으며 그 외에는 인도 등의 개도국들 위주로 연구하고 있다.
정유 및 석유화학 산업에 있어서 각 공정에서 적합한 온도 및 압력 범위, 플랜트 설계, 촉매 등의 조건은 공정 설계만 전문적으로 하는 회사에서 만들어 라이센스를 줘서 팔고 있다. 미국 UOP사 등이 이에 해당한다.
목차
개요
석유화학은 석유 공업 및 석유 화학 공업의 기초가 되는 석유 및 석유 탄화수소에 관한 화학을 말한다. 석유 및 그 증류분 성분의 화학, 그들의 성분 주체인 석유 탄화수소를 한층 유리하게 사용할 수 있는 형태로 바꾸기 위한 컨버션의 화학, 석유 증류분 또는 컨버션 생성물에서 석유 제품의 배합 원료 및 석유 화학 원료로서의 성분의 분리 및 정제, 또한 그들 성분의 1차적 및 2차적 가공에 의한 석유 화학 제품의 유도 등을 포함한다. 석유 및 그 성분에 관한 화학은 석유의 과학(science of petroleum)의 일환으로서 오래 전부터 발전하여, 석유의 화학(chemistry of petroleum)으로 존재했는데, 그 내용은 주로 석유의 성인, 성분, 성상 등에 관한 것이 많았다.
물론 양질 가솔린 및 윤활유 제조를 위한 기초가 되는 석유 탄화수소의 화학도 그중에 포함되어 발전했지만, 1950년 전후에 체계잡힌 석유 화학 공업의 개념과 대응시키기 위해서는 새로운 관점에서 석유에 관한 화학을 재인식할 필요가 있었다. 그래서 제출된 것이 석유 화학의 개념이다. 따라서 신구 양 개념 사이에 어느 정도 서로 겹친 것이 있는 것은 피할 수 없지만, 굳이 말하면 석유의 화학(오래 전부터의 개념)은 석유 정제를 위한 석유에 관한 기초적 화학이고, 석유 화학(새로운 개념)은 석유 성분의 화학적 이용에 주안을 둔 석유의 화학이라고 말할 수 있다(petrochemistry라는 말이 petroleum chemistry와 같은 의미로 사용되는 일이 있으나, 이것은 petrography, petrology(암석학)와 혼동하기 쉽기 때문에 적절하지 않다. 단, 독일어로는 Petrochemie가 사용된다).
산업의 일종
Global GDP의 제조업 부문 중 화학 산업은 15%로써 가장 큰 비율을 차지하고 있으며, 이 중 50%가 석유화학 관련 산업이다. 한국의 석유화학 산업은 1970년대 정부 주도로 시작되어, 1990년대 이후 민간 주도의 발전으로 80배 이상 비약적으로 성장했으며 울산, 여수, 대산 3개의 석유화학 단지에 약 50개 업체가 수직계열화를 이루고 있다. 국내 석유화학 산업은 2020년 에틸렌 생산 능력 기준으로 보면 세계 4위의 규모(9,816천 톤/년)로, 생산액 기준으로는 자동차, 기계, 반도체에 이어 4위의 국가 기간 제조 산업이다.
국내 석유화학 회사라고 하면 LG화학, 롯데케미칼, 한화토탈에너지스, 한화솔루션, 금호석유화학그룹, DL케미칼, SK종합화학, 여천NCC, 대한유화 등을 의미한다. 관련 교육기관으로는 여수석유화학고등학교가 있다.
석유화학 회사에서 연구원 경력을 쌓은 사람들은 정유사로 이직하기도 한다.
석유화학 설비 증설 시 가장 필요한 사람은 20년급 경력을 쌓은 엔지니어다. 이들은 대체 불가능한 인력으로 설비 초기 셋업 시 안정성 확보에 필수적인 역할을 한다. 또 건설사 플랜트 공정설계 경력자 역시 영입 대상이다.
국내의 경우 정유사가 석유화학 산업으로 진출하는 경우가 늘어나고 있다. SK이노베이션이야 원래 정유와 석유화학을 함께 하던 회사이고, 에쓰오일 역시 울산공장의 주변 부지에 석유화학 시설을 짓고 있다. 현대오일뱅크도 서산사업장 내에 석유화학 설비를 확충하고 있으며 롯데케미칼, OCI, 코스모화학 등과 합작법인을 설립하여 석유화학공장을 짓고 있다. GS칼텍스는 모기업인 GS그룹이 LG그룹에서 분리되어 나오면서 서로의 사업 영역은 침범하지 않겠다는 신사협정 때문에 석유화학 업종으로 진출하는 데에 가장 소극적이었다. LG그룹의 석유 사업에서 정유(LG정유)는 GS그룹이 가져 나오고, 석유화학(LG화학)은 LG그룹에 남겨놓는 식이었기 때문이다. 그러나 시간이 지나면서 GS칼텍스도 석유화학 산업으로 진출하고 있다.
이처럼 정유사가 석유화학으로 진출하는 이유는 크게 두 가지다. 첫째, 석유화학은 정유 과정에서 나오는 부산물을 사용하는 업종이기 때문에 정유사는 손쉽게 석유화학 업종으로 진출할 수 있으며, 석유화학만을 영위하는 회사보다 저렴한 비용으로 제품을 생산할 수 있다. 둘째, 정유업과 석유화학업은 재무적으로 반대 방향으로 흐르기 때문에 리스크를 헷징할 수 있기 때문이다. 일반적으로 유가가 오르면 정제 마진이 올라 정유사의 실적이 오른다. 반면 정유 부산물의 가격도 올라가 석유화학 회사는 영업 비용이 증가한다. 반대로 유가가 하락하면 정제 마진이 하락해 정유사의 실적은 떨어지지만 석유화학 회사의 실적은 증가한다. 정유든 석유화학이든 영업 이익에서 가장 중요한 요인은 유가인데, 두 사업의 영업 이익이 유가에 대해 반대로 움직이기 때문에 두 사업을 함께 한다면 영업 이익의 변동성을 줄일 수 있다.
나프타의 분해
석유화학에서는 주로 탄소수가 1∼7개 정도인 탄화수소를 이용하며, 그 원료로는 유정(油井)에서 나오는 천연가스, 혹은 크래킹·증류과정에서 생기는 가스를 쓰기도 하지만, 가장 많이 사용되는 것은 특별히 석유화학공업용으로 석유(주로 나프타(naphtha) 유분)를 열분해하여 얻은 에틸렌이나 프로필렌이다. 석유화학 공업의 특징은 여러 가지 탄화수소의 혼합물을 분해하고, 여기에서 생긴 온갖 생성물을 정류(精溜)공업에서 발달한 분리기술로 각 성분으로 나누어, 그 하나하나에 대한 다양한 합성법을 적용해서 수많은 종류의 제품으로 만드는 일관된 공정(工程)을 가지는 점이다. 그렇기 때문에 원료의 생산과 수요의 밸런스가 항상 중요한 문제로 되는 것이다. 한편 석유화학공업의 원료는 액체나 기체인 점에서 파이프 수송의 방식이 이용되고 있다. 따라서 이 분야의 제1차 제품인 에틸렌·프로필렌 등의 제조공장, 그것을 원료로 하는 제2차 제품인 폴리에틸렌·합성고무 등의 합성공장, 그리고 기초 원료를 만드는 석유정제 공장 등이 하나의 큰 집단으로 모여 있는 편이 유리한 것이다. 이 같은 형태를 콤비나트(combinat)라 한다. 석유화학에서 가장 중요한 위치를 차지하는 것은 에틸렌이며, 유전이 많은 미국에서는 석유와 함께 채취한 천연가스를 에틸렌의 원료로 하고 있으나 유전이 없는 지역에서는 나프타 유분을 열분해하여 에틸렌을 만드는 것이 보통이다.
석유화학공업 원료의 제조
석유의 탄화수소 성분은 파라핀계·올레핀계·나프텐계·방향족의 순으로 분해성이 좋으며, 또 분자량(分子量)이 큰 것일수록 잘 분해된다. 그러므로 석유는 고온으로 되면 그 상태에서 보다 안정된 화합물로 바뀌고 만다. 따라서 석유를 고온으로 처리함으로써 석유화학 공업의 원료로써 유용한 화합물인 에틸렌·프로필렌·아세틸렌 등을 쉽게 얻을 수 있다.
석유는 800°C 전후에서는 에틸렌을 주체로 한 것이 된다. 그러나 장시간 고온으로 두면 탄소로까지 분해가 진행되기 때문에 극히 단시간 고온 상태로 하였다가 급격히 냉각시켜 생성물을 정제·분리하여야 한다.
탄화수소를 주로 하는 합성화학
메테인(methane, CH₄)은 열분해해서 수소의 원료가 되는 외에 염소와 반응해서 염화 메틸(CH₃ )이나 염화 메틸렌(CH₂Cl₂) 또는 사염화 탄소(CCl₄}) 등으로 되어 유기 용매(有機溶媒)나 냉동기용의 냉매(冷媒) 등에 쓰인다. 그리고 메테인을 산화시켜 메틸알코올(methylalcohol)이나 포르말린(formalin)을 만들기도 한다. 또한 메탄으로는 아세틸렌(C₂H₂)을 만들고, 이 아세틸렌으로 여러 가지를 만들 수가 있다. 예컨대 수소와 반응시켜서 에틸렌이나 에테인을 만들고, 염화 수소와 반응시켜 염화 비닐을 만드는 것이다. 그리고 물과 반응시키면 아세트알데하이드(acetaldehyde)가 만들어지고 이것을 산화하면 초산(醋酸)이, 환원하면 에틸알코올이 만들어진다.
아세틸렌계 합성공업
합성화학의 대표적인 예로서 아세틸렌계 합성공업(acetylene系 合成工業)이 있다. 이것은 1920년대부터 급속하게 발달했고, 특히 독일의 레페(W.J.Reppe, 1892∼1969)가 가압(加壓)된 조건에서의 많은 반응을 개척함으로써 그 후의 화학공업발달을 크게 촉진했다. 아세틸렌을 공업적으로 제조하는 방법에는 전력법(電力法)과 탄화수소를 원료로 하는 방법이 있으나 최근에는 석유화학의 발전으로 말미암아 석유화학공업에 의한 탄화수소를 원료로 하는 방법이 그 주류를 차지하게 되었다. 그리고 아세틸렌을 원료로 하는 합성화학공업 자체도 그 중의 몇 가지는 에틸렌을 원료로 하는 방법으로 대치되고 있다.
주요 석유화학사
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참고자료
같이 보기
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