방향족 화학 기술 노선 분석 (상)

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방향족 화합물 생산 기술의 분석 (상) 저자/출처: 중국화공보 날짜: 2016-08-25 클릭률: 16 ——석유 기반 생산 방식: PX 분리 기술이 핵심입니다. 현재 우리나라에서는 방향족 화합물을 주로 석유를 원료로 생산하고 있으며, 석유 기반의 방향족 화합물 생산 공정과 관련된 연구는 주로 페닐엑시렌(PX)의 분리라는 핵심 공정에 집중되어 있습니다.PX는 방향족 화학물질 산업 체인에서 연결고리 역할을 하는 핵심 제품으로, 그 원료는 주로 나프타 분별물에서 얻어집니다. 나프타에서 혼합 다이메틸벤젠을 분리한 뒤, 이를 이성질화시켜 추가로 정제함으로써 PX를 얻습니다.이는 중국화공신문 기자가 8월 11일에 막을 내린 2016 중국 방향족 화학물질 산업 체인 발전 회의에서 얻은 정보입니다. 흡착 분리: 석유 기반의 주류 공정
나프타를 원료로 PX를 생산하는 과정에서는 새로운 디사이클화 촉매나 이성질화 촉매의 개발, 그리고 효율적인 PX 분리 및 정제와 같은 많은 기술적 난제들이 존재합니다.석화 루트의 방향족 화학 공정에서 PX 분리는 가장 핵심적인 단위 기술입니다. 주로 흡착 분리 방식이 사용되며, 시스템의 통합도가 높고 개발 난이도도 크기 때문에, 방향족 화학 공정 기술 중에서 가장 마지막에 국산화가 이루어진 단위 기술이기도 합니다. 　　이 유닛의 기술 개발을 담당하는 곳은 중국석화 석유화학과학연구원(석과원)입니다.그 연구소의 선임 엔지니어인 왕데화는 이 과제를 완수하기 위해 그들이 여러 세대에 걸쳐 흡착제를 개발해왔다고 설명했습니다.제1세대 흡착제의 연구개발은 1996년에 시작되었으며, 분자체 합성, 흡착제 조성 및 성형 공정, 후처리 공정 등의 연구를 통해 2004년에 제1세대 흡착제인 RAX-2000A의 산업적 활용이 실현되었습니다. 그 결과 제품의 순도, 수율, 생산량이 모두 현저히 향상되었습니다.그 후, 분자체 합성 및 알칼리 처리 공정 조건을 더욱 최적화함으로써 그들은 2세대 흡착제인 RAX-3000을 개발했으며, 2011년에는 산업적으로 활용되기 시작했습니다. 　　2011년, 중국석화는 RAX-3000형 국산 흡착제와 해당 공정을 활용하여 양자석화에 연간 3만 톤 규모의 첫 번째 산업 실증 설비를 건설했습니다. 이는 중국석화가 자체적인 방향족 화합물 생산 기술의 마지막 장벽인 흡착 분리 기술을 성공적으로 극복하고, 방향족 화합물 생산에 필요한 전반적인 기술을 확보했다는 것을 의미합니다.“자주 기술이 등장하기 전까지, 방향족 화학물질 생산 기술은 유럽과 미국의 두 회사만이 보유하고 있었으며, 기술적 장벽이 매우 높았습니다. 그래서 국내의 생산 능력은 거의 전부 외국 회사들의 기술에 의존할 수밖에 없었습니다.현재, 당사가 개발한 자동화된 방향족 화합물 처리 기술은 하이난 석유화학 공장의 연간 60만 톤 규모의 PX 생산 프로젝트에 적용되고 있습니다. 흡착 분리 장치는 현재까지 30개월 이상 계속해서 안정적으로 작동하고 있으며, 제품의 순도는 필요에 따라 99.7% 또는 99.8% 이상으로 안정적으로 유지됩니다.” 석유과학원 부총공정사 우웨이가 이렇게 말했다. 　　왕데화의 말에 따르면, 현재 석유과학원에서 개발한 최신 세대의 RAX-4000 흡착제는 기술 평가를 통과했습니다. 이 흡착제를 사용하면 처리 능력이 20% 이상 향상됩니다.중국 석화의 방향족 화학제품 생산을 위한 대형 설비들이 현재 설계 단계에 있으며, 그 규모는 연간 100만 톤에 이를 수 있습니다. 결정 분리: 고농도 원료의 최적의 선택지
PX 분리 단계에서는 흡착 분리만이 유일한 방법은 아닙니다. 결정 분리도 매우 중요한 분리 방식입니다. 국내외 연구자들도 이 분야에서 많은 연구를 진행하여, 각기 특징적인 PX 결정 분리 공정들을 개발해냈습니다. 　　결정 분리 기술은 C8 방향족 화합물의 각 성분들이 가지는 융점 차이를 이용하여 용융 결정 방식으로 PX를 분리하는 것입니다.PX 결정 분리 기술은 ‘3가지 화학물질’을 사용하지 않고, ‘3가지 폐기물’이 발생하지 않으며, 제품의 순도가 높고 원료에 대한 요구사항이 낮으며 공정이 간단하고 제어하기 쉽다는 장점이 있습니다. 하지만 동시에 에너지 소비가 많고, 장비 및 공정의 안정성에 대한 요구가 높다는 단점도 있습니다. 　　상하이 석유화학연구원이 개발한 PX 결정 분리 기술은 매우 특색적입니다.해당 연구소의 천량 박사에 따르면, 그들이 개발한 새로운 PX 결정화 공정을 통해 결정화 단계가 줄어들었습니다. 톨루엔의 선택적 이성분 분해 생성물을 결정화 원료로 사용함으로써 제품의 품질이 안정적이며, PX의 순도는 99.8% 이상입니다. 또한 장비의 작동도 안정적이고 신뢰할 수 있으며, 가동 및 정지도 용이합니다. 　　이를 바탕으로 상하이 석유화학연구원은 형태 선택적 이분화와 결정 분리를 결합한 기술을 더욱 발전시켰습니다. 이 기술을 사용하면 결정화에 필요한 원료를 다이메틸벤젠 탑을 통해 분리할 필요가 없으며, 결정화 과정에서도 고에너지가 소모되는 깊은 저온 결정화 단계도 생략됩니다. 따라서 그 장점은 더욱 명확해집니다.현재 해당 기관은 연간 10만 톤 규모의 공정 패키지 개발을 완료했습니다.동시에, 해당 기관은 전통적인 흡착 농축 방식과 결정 분리 방식을 결합하여 새로운 기술을 개발했습니다. 이 기술은 단순화된 흡착 분리 공정과 깊은 냉각이 필요 없는 단순화된 결정 분리 공정을 활용합니다. 그 장점은 새로운 설비의 경우 저렴한 비용의 특수 흡착제와 용매를 사용할 수 있으며, 기존 설비의 경우에도 기존의 흡착탑과 흡착제, 용매를 그대로 활용할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 PX 생산량을 두 배로 늘릴 수 있습니다. 현재 이 기술을 활용한 연간 60만 톤 규모의 생산 공정이 이미 개발되었습니다. 　　또한, 해당 기관은 두 가지의 타당성 연구 방안을 마련했습니다. 첫 번째 방안은 에너지 절약과 투자 비용 감소를 목표로 하며, 기존의 PX 생산량인 연간 10만 톤(흡착 분리 공정)을 그대로 유지하면서도, 흡착과 결정화를 결합한 공정을 도입함으로써 에너지 소비량을 PX 1톤당 440킬로그램의 표준 석유에서 166~244킬로그램으로 줄이는 것입니다；두 번째 방안은 에너지 절약과 생산 능력 확대를 동시에 목표로 합니다. 개조 전의 PX 생산량은 연간 10만 톤이었으며, 흡착 분리 공정을 사용했습니다. 하지만 흡착과 결정화 공정을 병용함으로써 생산량은 연간 24만 톤으로 증가했습니다. 또한 저온 열을 활용함에 따라 에너지 소비량도 연간 PX 1톤당 440kg의 표준 석유에서 281kg으로 줄어들었습니다. 　　천량은 결정 분리가 고농도 PX 원료의 분리에 특히 적합하다고 생각합니다. 상하이 석유화학연구원에서 개발한 PX 결정화 신공법과 신장비를 기존의 PX 흡착 생산 설비의 확장 및 개조에 활용하면, PX 생산에 필요한 에너지 소비를 줄일 수 있어 경제적인 효과가 큽니다. 해외 기업: 에너지 절약 및 소비 감소를 위한 공정 개선
아로마틱 화학물질 처리 공정의 선구자로서, 해외 특허 보유업체인 미국의 UOP와 프랑스의 Axens는 흡착 분리 기술 분야에서 항상 선도적인 위치에 있어 왔습니다.흡착제, 공정, 전용 장비 및 제어 시스템의 지속적인 개선 덕분에, 그들은 제품의 순도를 초기 99.2%에서 99.8%로 높일 수 있었으며, 단일 처리 과정에서의 수율도 90%에서 98%로 향상시킬 수 있었습니다. 　　호니웰 UOP사의 수석 매니저는 방향족 탄화수소 흡착 분리 분야에서 이룬 새로운 성과를 소개했습니다.수년간의 흡착제 제조 및 공정 기술 경험을 바탕으로, UOP는 2015년에 LD Parex 해제 흡착제를 활용한 경량형 PX 흡착 분리 공정을 개발했습니다.이 공정은 ADS-47 흡착제를 기반으로 약간의 변경을 가하여 경량 탈착제(톨루엔) 시스템에 적용할 수 있도록 했습니다；동시에 중량이 큰 탈착제를 사용하지 않아 분리 정밀도에 대한 요구를 낮추고, 최적화된 증류 공정을 도입함으로써 장비와 증류탑의 수를 20% 줄일 수 있습니다. 이를 통해 설비 투자 비용을 15%~17% 절감할 수 있으면서도, 기존 UOP의 고효율 방향족 화합물 생산 시설이 가진 저에너지 소비라는 장점은 그대로 유지됩니다.현재, LD ParexParex의 모든 구성 요소들이 성공적으로 산업화되었으며, 안정적으로 작동하고 있습니다. 이 덕분에 방향족 화학물질 생산 설비는 투자 및 에너지 소비 측면에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 　　시비에르 BP 기술 연맹이 선보인 PX 결정 분리 기술도 마찬가지로 첨단적이고 에너지 효율적인 특징을 가지고 있습니다.CB&I 루머스사의 수석 엔지니어인 왕건국은, BP사가 제공하고 CB&I사가 전 세계에서 독점적으로 사용권을 가진 PX 결정 분리 기술이 현재 인도의 신일타이어사가 보유한 세계 최대 규모의 방향족 화학 공장과 한국의 GS 칼텍스가 운영하는 세계적 규모의 PX 공장에서 이미 활용되고 있다고 설명했습니다.어떤 의미에서 BP 결정 기술은 선택적 흡착 분리 기술보다 에너지 소비와 생산 비용이 더 낮다는 장점이 있다고 할 수 있습니다. 　　또한, 2016년 중국 방향족 화학물질 산업 발전 회의에서 AXENS사는 방향족 화학물질 생산을 위한 통합 설비 관련 기술인 AXENS ParamaX의 연구 및 개발 분야에서 이룬 최신 성과들도 소개했습니다.이 공정은 고강도 연속 개질 기술, 크실렌 이성질화 기술, 분자체를 이용한 PX 흡착 분리 기술을 활용합니다. 핵심 기술과 촉매, 흡착제의 지속적인 혁신을 통해 방향족 화학물질 생산 설비의 투자 비용과 운영 비용을 대폭 줄일 수 있습니다. 최근 들어 중동 지역의 올레핀 생산 설비들이 현지에 풍부하게 매장되어 있으며 비용도 저렴한 에탄과 프로판 가스를 사용하게 되면서, 수출용으로 활용될 나프타의 양이 더욱 줄어들고 있습니다；아프리카와 중남미 지역도 세계 나프타 수출의 주요 지역이며, 국내 방향족 화학물질 제조 기업들도 위 지역에서 나프타를 수입하여 방향족 화학물질을 생산하는 것을 고려할 수 있다.또한, 응집유와 같은 다른 원료의 사용도 적극적으로 확대할 수 있습니다.요컨대, 방향족 화합물의 생산을 위해 원료 공급원을 다각화해야 한다.