원유 정제의 핵심 공정과 정유공장의 규모, 그리고 실제 정유소의 공정 구성을 살펴본다.
바람과 태양광이 세계 에너지 공급에서 점점 더 큰 비중을 계속 차지하고 있지만, 현대 세계는 여전히 석유에 의존해 돌아가며, 가까운 미래에도 그럴 가능성이 크다. 세계는 하루에 1억 배럴이 넘는 석유를 소비한다. 2023년 기준으로 석유는 전 세계 에너지 사용의 30%를 차지했으며, 어떤 다른 에너지원보다도 높은 비중이었다. 다만 그 점유율은 점진적으로 하락해 왔다. 화학 제조에서는 석유가 더욱 중요하다. 놀랍게도 화학 원료의 90%가 석유나 가스에서 유래한다. 사실상 모든 플라스틱은 석유나 가스에서 추출한 화학물질로 만들어지며, 석유화학 제품은 윤활유, 페인트, 합판, 합성섬유, 비료에 이르기까지 온갖 제품 생산에 쓰인다.
이처럼 막대한 석유 소비를 가능하게 하는 것이 정유공장이다. 석유가 땅속에서 나올 때 그것은 수천 가지 서로 다른 화학물질이 뒤섞인 복잡한 혼합물이다. 정유공장은 이 혼합물을 받아 처리하여 실제로 사용할 수 있는 화학물질로 바꾼다. 전 세계 석유 소비 규모가 워낙 크기 때문에 정유공장은 세계에서 가장 거대한 산업시설 가운데 하나다. 대형 정유공장은 수천 에이커를 차지하고 건설비가 수십억 달러에 이르며, 최종적으로 하루 수십만 배럴의 석유를 정제한다.
석유는 분해되는 유기물, 주로 고대 바다에서 죽어 바닥으로 가라앉은 플랑크톤과 조류로부터 만들어진 액체다. 이 죽은 유기물은 점차 퇴적물에 덮였고, 수백만 년에 걸쳐 원유로 변했다. 원유는 수천 가지 서로 다른 화학물질의 혼합물이며, 그 대부분은 탄화수소다. 즉, 탄소와 수소 원자가 다양한 방식으로 배열된 분자들이다. 원유 속 분자는 단순한 것부터 복잡한 것까지 다양하다. 예를 들어 프로판은 탄소 3개와 수소 8개, 부탄은 탄소 4개와 수소 10개로 이루어져 있다. 반면 원유 속 일부 아스팔텐 분자는 수천 개의 개별 원자를 포함할 수 있다.1
지구의 서로 다른 지역에서 추출한 원유는 탄화수소와 기타 분자의 혼합비가 서로 다르며, 이로 인해 일종의 원유 분류 체계가 생겨났다. 캐나다 오일샌드 같은 곳에서 나오는 “중질” 원유는 무거운 분자를 더 많이 포함하는 반면, 사우디아라비아의 Ghawar 유전 같은 곳의 “경질” 원유는 가벼운 분자를 더 많이 포함한다. 북해 Brent 유전에서 추출되는 원유처럼 “스위트” 원유는 황 함량이 낮고, 멕시코만 일부 원유처럼 “사워” 원유는 황 함량이 더 높다.
정유공장의 역할은 이러한 탄화수소와 기타 분자의 혼합물을 처리하는 것이다. 즉, 혼합물을 개별 화학물질 또는 화학물질군으로 분리하고, 다양한 화학 반응을 이용해 가치가 낮은 화학물질을 더 가치 있고 유용한 물질로 바꾸는 일이다.
정유소는 원유를 분리하고 처리하기 위해 여러 방법을 사용하지만, 가장 중요한 공정은 아마도 증류일 것이다. 원유 안의 서로 다른 분자는 서로 다른 온도에서 끓고, 다시 서로 다른 온도에서 액체로 응축된다. 더 작고 가벼운 분자는 더 낮은 온도에서 끓고 응축되며, 더 크고 무거운 분자는 더 높은 온도에서 끓고 응축된다. 이러한 끓는점 범위는 증류 곡선으로 나타낼 수 있는데, 이는 서로 다른 온도에서 원유의 어느 정도 비율이 끓어 증발하는지를 보여준다. 아래 예시 곡선을 보면 약 350°C에서 원유의 절반이 끓어 나가고, 525°C에서는 약 80%가 끓어 나간 것을 볼 수 있다. 서로 다른 원유는 내부 분자 비율에 따라 약간씩 다른 증류 곡선을 가진다.
원유 증류 곡선. 출처: ChatGPT.
원유에서 유래한 물질은 종종 끓는점 범위로 정의되는 화학물질 혼합물이다. 예를 들어 휘발유는 단일 화학물질이 아니다. 그것은 주로 탄소 원자 4개에서 12개 사이를 가진 분자들로 이루어진 탄화수소 혼합물이다. EIA는 완성 휘발유를 정의하면서 “10% 회수 지점에서 화씨 122~158도, 90% 회수 지점에서 화씨 365~374도의 끓는점 범위를 가지는 것”이라고 설명한다.2
정유공장은 이러한 끓음과 응축의 차이를 이용해 증류탑에서 원유를 여러 화학물질군, 즉 분획으로 분리할 수 있다. 원유가 정유소에 들어오면 먼저 염분을 제거하고, 그다음 약 650-750°F까지 가열하여 원유의 대부분을 증기로 만든다. 이 증기는 서로 다른 높이에 트레이가 놓인 높은 탑으로 들어가는데, 각 트레이에는 액체가 채워져 있다. 뜨거운 증기가 탑을 따라 상승하면서 각 트레이에서 액체를 통과하고, 이 과정에서 약간씩 식는다. 증기가 충분히 식으면 다시 액체로 응축된다. 가장 무겁고 끓는점이 가장 높은 분자들은 탑 아래쪽에서 먼저 응축되고, 더 가벼운 분자들은 위쪽에서 나중에 응축된다. 가장 가벼운 분자들은 아예 응축되지 않아 기체 상태로 탑 상부를 빠져나간다. 동시에 가장 무거운 분자들은 처음부터 끝까지 액체 상태로 남아 탑 하부로 빠져나간다. 이렇게 해서 서로 다른 무게의 분자들을 분리할 수 있다.
사실상 모든 정유공장은 먼저 증류탑에서 원유를 여러 분획으로 증류한다. 다만 정확히 어떤 분획을 분리하는지는 정유소마다 다를 수 있다. 이 증류는 대기압에서 수행되기 때문에 정제 공정의 첫 단계는 “상압 증류”라고 불린다. 가장 단순한 정유소는 상압 증류만 수행할 수도 있지만, 대부분의 정유소는 그다음 여러 분획을 추가 처리 공정으로 보낸다. 정유소가 무엇을 생산하도록 설계되었는지에 따라 사용할 수 있는 공정은 매우 많기 때문에, 여기서는 가장 널리 쓰이는 몇 가지만 살펴보자.
상압 증류탑의 맨 위에서 나오는 가스는 프로판, 메탄, 부탄, 이소부탄(분자 배열이 약간 다른 부탄) 등 여러 가벼운 분자의 혼합물이다. 이 혼합물을 성분별 기체로 나누기 위해 정유소는 이를 가스 플랜트로 보낼 수 있는데, 이곳에는 혼합물에서 다양한 물질을 응축시켜 분리하도록 설계된 일련의 증류탑이 있다. 예를 들어 가스는 “debutanizing tower”를 지나며 부탄과 프로판 및 그보다 가벼운 가스를 나머지 혼합물로부터 분리할 수 있다. 이어서 부탄 이하의 가스는 “depropanizing tower”로 보내져 프로판과 부탄을 분리할 수 있다.3
증류탑 위쪽에서는 가벼운 가스가 나오지만, 아래쪽에서는 무거운 액체가 나온다. 전혀 증발하지 않은 채 증류를 통과해 나오는 가장 무거운 분자들은 잔사유로 알려져 있다. 더 무거운 분자 상당수는 그 자체로는 그다지 가치가 높지 않기 때문에, 정유공장의 가장 중요한 기능 중 하나는 크래킹이다. 즉 중유 같은 무거운 분획을 휘발유처럼 더 가볍고 가치 있는 물질로 쪼개는 것이다.
크래킹은 자동차 사용 증가에 따른 수요 상승에 대응해, 원유 1배럴에서 더 많은 휘발유를 뽑아내기 위한 방법으로 20세기 초에 발명되었다. 세월이 지나며 크래킹 방식은 발전했고, 오늘날 대부분의 정유소는 어떤 형태로든 촉매 크래킹, 또는 “cat cracking”을 사용한다. 촉매 크래킹에서는 상압 증류에서 나온 무거운 분획을 촉매와 섞고 열과 압력을 가해, 무거운 분자를 더 가벼운 분자로 분해한다. 촉매는 이후 사이클론 분리기를 이용해 혼합물에서 분리된다. 기본적으로 혼합물을 회전시켜 더 무거운 촉매를 나머지 혼합물로부터 떼어내는 방식이다. 분리된 촉매는 세정 후 재사용되고, 이제 크래킹되어 증발 가능한 상태가 된 오일은 또 다른 증류탑으로 보내져 여러 분획으로 나뉜다.
대부분의 촉매 크래킹은 유동 접촉 분해 방식인데, 이는 무거운 분획과 섞였을 때 유체처럼 거동하는 모래 같은 촉매를 사용한다. 서로 다른 회사들이 각기 다른 유동 접촉 분해 공정을 개발해 왔고, 하나의 정유소 안에서도 공정의 서로 다른 부분에서 여러 촉매 크래커를 사용할 수 있다.
촉매 크래커는 무거운 탄화수소를 분해하는 화학 반응을 촉진하도록 설계되었지만, 온도가 충분히 높으면 이러한 반응은 증류탑 내부에서도 일어날 수 있다. 크래킹은 증류 공정을 방해하기 때문에, 정유소는 상압 증류 온도를 약 650-750°F로 제한한다. 그 결과 탑 바닥에는 끓지 않은 무거운 탄화수소 혼합물이 남게 된다. 이 혼합물을 추가로 여러 분획으로 분리하여 회수할 수 있다면 유용하겠지만, 상압 증류로는 크래킹이 시작될 만큼 온도를 올리지 않고서는 그렇게 할 수 없다.
해결책은 이 혼합물을 매우 낮은 압력, 거의 진공 상태로 유지되는 또 다른 증류탑으로 보내는 것이다. 그래서 이 공정은 진공 증류 또는 진공 플래싱이라고 알려져 있다. 압력이 낮아지면 끓는점도 낮아지므로, 크래킹이 시작될 정도로 가열하지 않고도 무거운 분획을 증류할 수 있다.
진공 증류에서 나오는 일부 무거운 분획은 더 가벼운 물질로 쪼개기 위해 바로 촉매 크래킹 장치로 보내질 수 있다. 하지만 진공 증류탑 바닥에서 나오는 가장 무거운 분자들은 촉매 크래킹에 적합하지 않다. 그중 많은 분자는 촉매를 오염시키는 중금속을 포함하고 있고, 또 이 분자들의 화학 반응은 촉매를 끈적이게 만드는 코크스(탄소가 풍부한 고체)를 생성하는 경향이 있다. 그런데도 이 매우 무거운 분자들을 분해하는 것은 유용하기 때문에, 일부 정유소는 열을 사용해 분자를 쪼개는 열 크래킹 공정을 사용한다. 코커는 열을 이용해 가장 무거운 분자를 더 가벼운 분자와 코크스로 분해하는 열 크래커다. 가벼운 분자는 증류탑으로 보내져 분리되고, 코크스는 연료로 태우거나 제조용 원료로 사용할 수 있다. 예를 들어 알루미늄 제련에 쓰이는 전극은 코크스로 만든다. 또 다른 열 크래킹 방식인 비스브레이킹(visbreaking, viscosity breaking의 줄임말)은 일부 분자를 분해하고 남은 분획의 점도를 낮추는 데 사용된다.
크래킹 외에도 정유소는 다양한 분자의 화학 구조를 바꾸기 위해 여러 공정을 사용할 수 있다. 촉매 개질은 나프타 분획(끓는점이 약 122°F에서 약 400°F 사이인 원유 부분)을 촉매 존재하에서 열과 압력에 노출시켜, 휘발유 제조에 사용되는 reformate라는 새로운 화학물질 혼합물을 만든다. 이성질화 공정은 부탄 같은 여러 분자의 물리적 배열을 바꾸어 이성질체를 만든다. 이성질체란 화학식은 같지만 구조 배열이 다른 분자다. 수소화 정제은 촉매 존재하에서 원유의 여러 분획을 수소와 반응시켜 불순물을 제거하고 품질을 향상시킨다. 수소화 정제는 단독으로 수행될 수도 있지만, 다른 공정과 결합되기도 한다. 수소화 분해는 수소화 정제와 촉매 크래킹을 결합한 것이고, residue hydroconversion은 수소화 정제와 열 크래킹을 결합한 것이다.
이들 공정의 다양한 투입물과 산출물을 저장하기 위해 정유소에는 탱크 팜이라 불리는 대규모 저장탱크 군이 있으며, 여기에는 수백만 갤런의 여러 액체를 저장할 수 있다. 프로판과 부탄 같은 가스는 보통 압축 액체 형태로 저장되며, 지상 탱크나 지하 동굴, 혹은 소금 돔에 보관된다.
이 여러 공정이 실제 정유소에서 어떻게 배치되는지 감을 잡기 위해 실제 사례를 살펴볼 수 있다. 아래 지도는 캘리포니아 Richmond에 있는 Chevron 정유소를 보여준다. 이는 하루 약 25만 배럴의 원유를 처리할 수 있는 중간 정도 규모의 대형 정유소다. 탱크 팜은 부지의 남쪽 절반을 차지하고, 공정 구역은 북쪽과 동쪽을 감싸고 있다.
아래 차트는 이 정유소의 여러 공정의 일일 처리 능력을 보여준다.
Chevron Richmond에는 위에서 설명한 공정이 많이 갖춰져 있음을 알 수 있다. 약 257,000배럴의 상압 증류 외에도 약 123,000배럴의 진공 증류, 약 90,000배럴의 촉매 크래킹, 약 71,000배럴의 촉매 개질 능력이 있다. Chevron Richmond에는 코킹 설비가 없지만, Los Angeles에 있는 Chevron의 조금 더 큰 El Segundo 정유소에는 있다.
이 공정들이 실제로 어떻게 배치되는지를 보기 위해 정유소의 공정 흐름도를 살펴볼 수 있다. 이 도면이 공개된 이유는 몇 년 전 Chevron이 이 정유소를 대대적으로 개조했고, 그 과정에서 캘리포니아의 환경 품질 관련 법규를 준수하기 위해 매우 상세한 환경영향보고서를 제출해야 했기 때문이다.
정제 공정은 상압 증류에서 시작된다는 것을 볼 수 있다. 물론 이 정유소는 증류 과정을 건너뛸 수 있는 일부 중질 가스오일도 처리한다. 상압 증류는 원유를 여러 분획으로 나누고, 이 분획들은 다시 여러 다른 공정으로 보내진다. 경질 가스는 가스 플랜트로 가고, 나프타는 수소화 정제, 촉매 개질, 이성질화로 보내진다. 항공유와 디젤유는 각각의 수소화 정제 공정으로 보내지고, 더 무거운 분획은 여러 촉매 크래킹 공정으로 보내진다. 이 모든 공정의 산출물은 중유, 디젤, 항공유, 윤활유, 그리고 물론 휘발유 같은 여러 원유 제품이다.
Chevron Richmond는 미국에서 가동 가능한 132개 정유소 중 하나일 뿐이며, 이들 전체는 하루 1,800만 배럴이 넘는 원유를 정제할 수 있다. 이 정유소들의 위치는 매우 집중되어 있다. 대부분은 텍사스와 루이지애나의 걸프 해안에 있으며, 그 밖의 집적지는 뉴저지, 미국 중서부, 그리고 캘리포니아에 있다.
정유 능력의 분포를 보면 Chevron Richmond는 비교적 큰 편이지만, 가장 큰 수준과는 거리가 있음을 알 수 있다. 미국 정유소의 약 5분의 1은 Chevron Richmond와 비슷하거나 그보다 더 크다. 미국에는 이보다 두 배 이상 큰 정유소도 여섯 곳 있으며, 이들은 하루 50만 배럴이 넘는 원유를 정제할 수 있다. 세계적으로는 더 큰 정유소도 있다. 인도의 Jamnagar 정유소는 원시 처리 능력 기준 세계 최대 정유소로, 하루 140만 배럴의 원유를 정제할 수 있다.
하지만 하루 배럴 수 기준의 처리 능력, 즉 사실상 상압 증류 능력만 보는 것은 이야기의 일부만 보여줄 뿐이다. 앞서 말했듯 정유소마다 무엇을 생산하도록 설계되었는지에 따라 설치된 처리 장비가 다르다. 단순한 정유소는 상압 증류 외에 거의 없을 수 있지만, 더 복잡한 정유소는 광범위한 고정제 제품을 만들기 위해 긴 공정 연쇄를 사용한다. 아래 차트는 미국 전체 정유 능력에서 여러 공정이 차지하는 규모를 보여준다.
미국의 서로 다른 정유소의 상대적 복잡성은 Nelson Complexity Index를 이용해 볼 수 있다. 이 지수는 정유소가 얼마나 복잡한지를 측정하려는 지표다. 산출 방식은 각 공정의 처리 능력에, 그 공정의 비용을 상압 증류와 비교한 “복잡도 계수”를 곱한 다음, 이를 정유소의 상압 증류 능력으로 나누는 것이다. 따라서 상압 증류 능력 100,000배럴(복잡도 계수 1)과 진공 증류 능력 50,000배럴(복잡도 계수 2)을 가진 정유소는 복잡도 지수가 1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2가 된다. 여기에 촉매 크래킹 능력 25,000배럴(복잡도 계수 6)을 추가하면 복잡도 지수는 1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5로 올라간다.
미국의 대부분 정유소는 상당히 복잡하다. 2014년 기준 복잡도 지수가 2 이하인 정유소는 3% 미만이었고, 평균 복잡도 지수는 8.7이었다. 2014년 기준 Chevron Richmond 정유소의 복잡도 지수는 14로, 미국 정유소 평균보다 높았다. Jamnagar 정유소는 세계 최대일 뿐 아니라 특히 복잡하기도 하다. 복잡도 지수 21은 사실상 거의 모든 미국 정유소보다 더 복잡한 수준이다.
2014년경 미국 정유소의 복잡도별 분포. 출처: Kaiser 2016.
내게 석유 정제에서 가장 인상적인 점은 공정의 복잡성이 아니다. 실제로 여러 공정의 배치는 대단히 복잡한 경우가 많지만, 개별 공정 자체는 종종 놀랄 만큼 단순하다. 적어도 개념적으로는 그렇다. 내게 더 인상적인 것은 그 엄청난 규모다. 정제가 비싼 작업인 이유는 반드시 공정이 너무 복잡해서가 아니라, 처리해야 할 물질의 양이 너무 많기 때문이다. Chevron의 Richmond 정유소는 작은 도시만 한 크기이며, Very Large Crude Carrier 한 척 분량의 화물을 1주일이 조금 넘는 시간 안에 처리할 수 있다. 게다가 Richmond는 특별히 큰 정유소도 아니다. 미국에는 그 정도 규모이거나 더 큰 정유소가 25곳 있고, 두 배 이상 큰 정유소도 여섯 곳 있다. 전 세계적으로 보면, 세계의 석유 수요를 충족하려면 Richmond급 정유소 400개가 필요하다.
텍사스나 루이지애나에 산다면 이런 측면이 아마도 자명할 것이다. 하지만 우리 대부분은 문명의 피를 흐르게 하는 거대한 산업 기계를 전혀 생각하지 않고도 일상을 살아갈 수 있다. 그러나 미국은 매일, 하루도 빠짐없이 2,000만 배럴이 넘는 석유를 소비하며, 이를 가능하게 하려면 방대한 정유공장 복합체가 필요하다.
아스팔텐은 엄밀히 말해 탄화수소는 아니다. 주로 탄소와 수소로 이루어져 있지만, 황이나 중금속 같은 다른 원자도 포함할 수 있다.
회수 지점은 그 비율만큼의 액체가 기화된 뒤 다시 포집되는 온도다.
가스 플랜트로 보내지는 대부분의 가스는 이중 결합을 갖지 않는다. 이중 결합이 없는 탄화수소는 포화 상태라고 하며, 가능한 최대 수의 수소 원자를 가지고 있다. 그래서 이런 종류의 플랜트를 “sats gas plant”라고 부른다.
