정유공장은 원유를 어떻게 휘발유와 플라스틱 원료로 바꾸나

• 현대 사회는 재생에너지가 늘어도 아직 석유 위에서 굴러감

  • 전 세계 석유 소비량은 하루 1억 배럴 이상임
  • 2023년 기준 석유는 전 세계 에너지 사용의 30%를 차지했고, 단일 에너지원으로는 여전히 가장 큼
  • 화학 제조 쪽으로 가면 의존도가 더 심해서, 화학 원료의 약 90%가 석유나 가스에서 나옴

• 정유공장의 역할은 원유를 “쓸 수 있는 물질”로 바꾸는 것임

  • 땅에서 나온 원유는 수천 가지 화학물질이 섞인 혼합물이고, 대부분은 탄소와 수소로 이뤄진 탄화수소임
  • 플라스틱, 윤활유, 페인트, 합판, 합성섬유, 비료까지 석유화학 제품의 범위가 생각보다 훨씬 넓음
  • 그래서 대형 정유공장은 수천 에이커 규모 부지에 들어서고, 건설비도 수십억 달러 단위로 올라감

원유는 왜 그냥 못 쓰나

• 원유마다 성격이 다름. “가볍다/무겁다”, “달다/시다” 같은 분류가 괜히 있는 게 아님

  • 캐나다 오일샌드 같은 중질유는 무거운 분자가 많고, 사우디 가와르 유전 같은 경질유는 가벼운 분자가 많음
  • 북해 브렌트유 같은 저유황 원유는 “sweet crude”, 멕시코만 일부 원유처럼 황 함량이 높은 원유는 “sour crude”라고 부름
  • 황, 중금속, 무거운 탄화수소 비율에 따라 정유공장이 써야 하는 장비와 공정이 달라짐

• 정유의 기본 아이디어는 단순함. 서로 다른 물질은 서로 다른 온도에서 끓고 다시 액체가 됨

  • 휘발유는 단일 화학물질이 아니라 대략 탄소 4~12개짜리 탄화수소들의 혼합물임
  • 예시로 든 증류 곡선에서는 약 350도 섭씨에서 원유의 절반이 끓고, 525도 섭씨에서 약 80%가 끓음
  • 이 끓는점 차이를 이용해 원유를 “분획”으로 나누는 게 정유공장의 출발점임

sequenceDiagram
    participant 원유
    participant 상압증류탑
    participant 가스공장
    participant 분해공정
    participant 제품탱크
    원유->>상압증류탑: 가열 후 투입
    상압증류탑->>가스공장: 메탄·프로판·부탄 같은 가벼운 가스
    상압증류탑->>분해공정: 무거운 잔류물과 중질유
    분해공정->>상압증류탑: 쪼개진 가벼운 분획 재분리
    가스공장->>제품탱크: 분리된 LPG 계열 제품 저장
    상압증류탑->>제품탱크: 휘발유·경유·제트연료·윤활유 원료 저장

정유공장의 핵심 공정

• 거의 모든 정유공장은 상압증류로 시작함

  • 원유에서 염분을 제거한 뒤 약 650~750도 화씨로 가열하면 대부분이 증기로 바뀜
  • 이 증기가 높다란 증류탑을 올라가면서, 무거운 분자는 아래쪽에서 먼저 액체가 되고 가벼운 분자는 위쪽까지 올라감
  • 가장 가벼운 물질은 끝까지 액화되지 않고 가스로 빠져나가고, 가장 무거운 물질은 애초에 증발하지 못한 채 바닥으로 나옴

• 증류만으로는 돈이 덜 됨. 그래서 무거운 물질을 쪼개는 “분해”가 중요함

  • 20세기 초 자동차 수요가 늘면서 한 배럴의 원유에서 더 많은 휘발유를 뽑아내야 했고, 여기서 cracking이 등장함
  • 촉매분해는 무거운 분획에 촉매, 열, 압력을 걸어 더 가볍고 값비싼 분자로 쪼개는 방식임
  • 오늘날 흔한 방식은 유동촉매분해로, 모래 같은 촉매가 유체처럼 움직이며 반응에 참여함

• 상압증류에는 온도 제한이 있음. 너무 뜨겁게 하면 증류탑 안에서 원치 않는 분해가 일어남

  • 그래서 상압증류 온도는 대략 650~750도 화씨 근처로 제한됨
  • 바닥에 남은 무거운 혼합물은 감압증류로 보내는데, 낮은 압력에서는 끓는점도 낮아져 더 낮은 온도에서 분리할 수 있음
  • 촉매를 망가뜨릴 만큼 중금속이 많거나 코크스를 많이 만드는 초중질 성분은 열분해나 코커로 처리함

• 정유공장에는 분해 말고도 분자 구조를 바꾸는 공정이 잔뜩 붙음

  • 촉매개질은 나프타를 열과 압력, 촉매에 노출시켜 휘발유 제조에 쓰는 reformate로 바꿈
  • 이성질화는 부탄 같은 분자의 배치를 바꿔 같은 화학식이지만 다른 구조를 가진 이성질체를 만듦
  • 수첨처리는 수소와 촉매를 이용해 불순물을 제거하고 품질을 높이는 공정임

실제 정유공장은 어느 정도 규모인가

• 쉐브론 리치먼드 정유공장은 “중간보다 큰” 정도인데도 하루 약 25만 배럴을 처리함

  • 상압증류 용량은 약 25만 7천 배럴, 감압증류는 약 12만 3천 배럴임
  • 촉매분해는 약 9만 배럴, 촉매개질은 약 7만 1천 배럴 규모임
  • 저장 탱크 구역이 부지 남쪽 절반을 차지하고, 처리 설비는 북쪽과 동쪽을 감싸는 형태로 배치돼 있음

• 미국 전체로 보면 스케일이 더 어마어마함

  • 미국에는 가동 중인 정유공장이 132곳 있고, 합산 처리 능력은 하루 1,800만 배럴 이상임
  • 정유공장은 텍사스와 루이지애나의 걸프 연안에 특히 몰려 있고, 뉴저지·중서부·캘리포니아에도 클러스터가 있음
  • 미국 정유공장 중 약 5분의 1은 리치먼드와 비슷하거나 더 큰 규모고, 6곳은 하루 50만 배럴 이상을 처리함

• 세계 최대급으로 가면 인도 잠나가르 정유공장이 튀어나옴

  • 잠나가르 정유공장은 하루 140만 배럴의 원유를 처리할 수 있음
  • 단순 처리량만 큰 게 아니라 넬슨 복잡도 지수도 21로, 미국 대부분의 정유공장보다 복잡한 편임
  • 참고로 2014년 미국 정유공장의 평균 넬슨 복잡도 지수는 8.7이었고, 쉐브론 리치먼드는 14였음

• 결론은 복잡함보다 규모가 더 무섭다는 쪽에 가까움
  • 개별 공정은 개념만 보면 꽤 직관적인 것도 많음. 끓이고, 나누고, 쪼개고, 불순물을 빼는 식임
  • 그런데 이걸 하루 수십만 배럴, 국가 단위로는 수천만 배럴 규모로 계속 돌리는 순간 완전히 다른 문제가 됨
  • 리치먼드 정유공장 하나가 초대형 원유 운반선 한 척 분량을 일주일 조금 넘는 시간에 처리할 수 있는데, 세계 석유 수요를 맞추려면 이런 규모의 정유공장이 수백 개 필요함

기술 맥락

• 정유공장의 첫 선택은 원유를 한 번에 완제품으로 만들려 하지 않고, 상압증류로 큰 분획부터 나누는 거예요. 원유가 수천 가지 물질의 혼합물이기 때문에 처음부터 정밀 처리하려 들면 공정이 너무 복잡해지고, 끓는점이라는 물리적 차이를 먼저 활용하는 게 가장 싸고 안정적이거든요.

• 감압증류는 “더 뜨겁게 끓이면 되잖아”가 통하지 않는 상황에서 나온 선택이에요. 온도를 너무 올리면 증류가 아니라 분해가 시작돼서 원하는 분리가 깨지기 때문에, 압력을 낮춰 끓는점을 내리는 방식으로 문제를 우회하는 거죠.

• 촉매분해와 코커는 정유공장이 수익성을 만드는 지점이에요. 무거운 잔류물은 그대로 두면 가치가 낮지만, 이를 가벼운 탄화수소로 쪼개면 휘발유나 다른 고부가 제품으로 연결할 수 있거든요. 다만 금속 불순물이나 코크스 생성처럼 촉매를 망가뜨리는 조건에서는 열분해 같은 다른 공정을 써야 해요.

• 넬슨 복잡도 지수가 중요한 이유는 처리량만으로는 정유공장의 실제 능력을 못 보기 때문이에요. 같은 하루 10만 배럴 설비라도 단순 증류만 하는 곳과 감압증류, 촉매분해, 수첨처리, 개질까지 갖춘 곳은 만들 수 있는 제품과 마진 구조가 완전히 달라져요.