섬유 액막 기술의 원유 전처리 분야에서의 응용 연구

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요약: 본 논문은 섬유 액막을 이용한 원유 전처리의 전달 분리 원리를 소개하고, 산업적 실험 및 원유 적합성 연구를 수행하였다.결과에 따르면, 원유를 3단계의 섬유 액체 막 처리를 거치면 염분 함량은 <3.0mgNaCl/L이며, 수분 함량은 <0.2%입니다. 또한 칼슘과 철의 함량은 <10.0μg/g이고, 분리된 기름의 함량은 <150mg/L입니다. 이러한 지표들은 산업적 생산 요구사항을 충족하며, 전기 탈염 공정보다 우수합니다.1. 서론 액체 막 분리 기술(Liquid membrane permeation, LMP)은 혼합물의 각 성분들이 막을 통과하는 능력의 차이를 이용하여 분리, 정제 또는 농축을 수행하는 분리 기술입니다. 이는 생물막의 물질 전달 기능을 모방한 새로운 형태의 분리 방법으로, 분리 인자나 선택성과 같은 문제들을 해결해줍니다.이는 1968년 미국 엑손사의 미국인 중국계 과학자인 리니엔즈 박사에 의해 제안되었습니다.액막 분리 기술은 고체막 분리 기술에 비해 효율성이 높고, 속도가 빠르며, 선택성이 우수하고 에너지 절약 효과도 있다는 장점이 있습니다. 또한 액-액 추출 방식에 비해서는 추출과 역추출이 동시에 이루어지며, 분리 및 농축 효율이 높고, 추출제 사용량이 적으며 용매 손실도 적다는 특징이 있습니다.그중 섬유 액막 분리 기술은 최근 우리나라의 석유 정제 분야에서 빠르게 활용되고 있습니다.2. 섬유 액막을 이용한 원유 전처리의 물질전달 분리 원리는 다량의 특수 친수성 섬유를 지지체로 사용하여, 기름과 물 두 상의 표면장력 차이를 이용해 섬유 표면에 매우 얇은 수층 액막을 형성시킨다. 원유가 이 수층 액막 사이에서 섬유를 따라 아래로 흐르는 과정에서 비확산적인 매우 큰 물질전달 표면이 형성되고 물질전달 거리도 짧아지므로, 분산 혼합에 의한 물질전달으로 인해 발생하는 두 상의 분리 어려움 문제를 방지할 수 있다.원유 내의 염분 성분들은 농도 차이에 의한 힘에 의해 수상 액막 쪽으로 이동합니다. 그 중 수용성 무기염들은 직접 수상 액막 속으로 들어가지만, 유용성 유기염들은 먼저 수상 액막 표면의 탈염 보조제와 반응하여 수용성 무기염으로 변환된 후에야 수상 액막 속으로 들어갑니다. 이러한 과정을 통해 원유의 탈염이 이루어집니다.전통적인 원유 전기염제거 공정에 비해, 섬유 액체막 원유 염제거 공정은 다음과 같은 기술적 특징을 가지고 있습니다: 공정이 간단하며, 외부 전기장이나 유화제가 필요하지 않습니다；물질 전달 효율이 높으며, 탈수, 탈염, 탈칼슘 및 탈철 효과가 우수함；이상 혼입이 적어, 원유를 정제한 후의 물과 기름의 함량 및 COD 값이 낮음；공속이 높고 처리량이 많음；운영 비용이 낮고, 기술적·경제적 효율성이 높음；공정상 환경 친화적이며, 본질적 안전성이 높습니다. 그림 1 섬유 액체 막을 이용한 원유 전처리의 원칙적인 공정 흐름
3. 산업 실증
중국 석화 장링 지사는 섬유 액체 막을 이용한 원유 전처리 기술을 활용하여 8×10³kt/a 규모의 3단계 막 제거 공정을 갖춘 산업 실증 설비를 건설했습니다. 이 설비는 2014년 5월에 처음으로 성공적으로 가동되었으며, 현재까지도 안정적으로 운영되고 있습니다.이 장치에서 사용되는 원료는 의장관을 통해 운반되는 원유이며, 그 성질은 표 1에 나와 있습니다.
**표 1. 의장관을 통해 운반되는 원유의 성질**
| 항목 | 데이터 |
|------|------|
| 밀도 (Kg/m³) | 963.8 |
| 황 함량 (m%) | 0.9271 |
| 100℃에서의 점도 (mm²/s) | 56.3 |
| 질소 함량 (m%) | 0.5558 |
| 점성분 함량 (m%) | 21.3 |
| 니켈 함량 (μg/g) | 35.5 |
| 아스팔트질 함량 (m%) | 11.5 |
| 바나듐 함량 (μg/g) | 245.0 |

3.1. 염제거 효과는 그림 2에 나와 있습니다. 산업용 시험 장치에서 원유를 3단계의 섬유 액체 막 처리 과정을 거친 후의 염분 함량은 3.0mgNaCl/L 미만이며, 평균값은 1.5mgNaCl/L에 불과하여 산업적 생산 요구사항을 충족합니다. 그림 2는 산업 실험에서 원유를 3단계의 섬유 액체 막을 이용해 전처리한 후의 염분 함량을 나타냅니다. 염분 함량은 3.2%입니다. 또한, 그림 3에서는 탈수 효과가 보여집니다. 산업 실험 장비를 이용해 원유를 3단계의 섬유 액체 막으로 전처리한 결과, 수분 함량은 0.2% 미만이었습니다. 이는 산업적 생산에 필요한 기준을 충족합니다. 그림 3은 산업 실험에서 원유를 3단계의 섬유 액체 막 처리한 후의 수분 함량을 나타냅니다. 수분 함량은 3.3입니다. 금속 제거 효과는 그림 4에 나와 있습니다. 산업 실험에 사용된 장비는 KJ-FMT1이라는 전용 금속 제거제를 사용합니다. 원유를 3단계의 섬유 액체 막 처리한 후에는 칼슘과 철의 함량이 거의 10.0μg/g 이하로 억제됩니다. 그중 칼슘 제거율은 80% 이상, 철 제거율은 70% 이상으로, 산업적 생산 요구사항을 충분히 만족시킵니다. 그림 4는 산업적 시험에서 원유를 3단계 섬유 액체 막 처리한 후의 칼슘 및 철 함량을 나타낸 것입니다. 그림 5를 보면, 산업적 시험 장비에서 원유를 3단계 섬유 액체 막 처리한 후의 분리된 기름의 함량은 150mg/L 미만으로, 산업적 생산에 필요한 기준을 충족합니다. 그림 5 산업 시험에서의 원유, 3단계 섬유 액막 전처리 후의 수분 및 오일 함량. 산업 설비에서 얻은 통계 자료에 따르면, 원유를 3단계 섬유 액막으로 전처리한 후에는 모든 지표가 산업적 생산 요구사항을 충족하는 것으로 나타났습니다.전기염제거 공정에 비해 유화제 주입과 외부 전기장이 생략되어 운영 비용이 크게 절감됩니다；절수유 함량과 COD 함량이 전기염제거 공정에 비해 현저히 낮아 환경 보호 효과가 뛰어납니다.4. 섬유 액막 원유 전처리 기술의 적용성 연구는 국내 정유소에서 처리되는 비교적 전형적인 중저품질 원유를 대상으로 그 적용성에 대한 연구를 수행하였다.그림 6과 같이, 마르이 오일은 3단계의 섬유 액체 막 처리를 거친 후 수분 함량이 0.03%가 됩니다；염분 함량 6.20mgNaCl/L, 탈염율 97.05%；절수유 함량 118.50mg/L. 그림 6 마루이 오일 섬유 액체 막을 이용한 전처리 효과 그림 7과 같이, 다허 원유를 3단계의 섬유 액체 막을 이용해 전처리하면 수분 함량이 0.2%로 안정적으로 유지됩니다；염분 함량의 평균값은 7.9mgNaCl/L이며, 제염율은 98% 이상입니다；절수유의 함량은 최저 6.8mg/L, 최고 93.8mg/L이며, 평균값은 36.9mg/L입니다.각종 지표가 동기의 전기탈염 산업 설비보다 우수합니다. 그림 7 타허 원유의 섬유 액막 전처리 효과 위의 실험 결과에 따르면, 섬유 액막 기술은 원유 전처리 분야에서 원유에 대한 적응성이 뛰어나고, 염분 및 수분 제거 효과가 우수하며, 물과 기름의 비율도 낮다는 장점이 있습니다.5. 결론 원유가 점점 더 중질화되고 질이 나빠지면서, 국내 정유공장들은 원유 전기탈염 기술을 활용하는 데 있어 점점 더 많은 문제에 직면하고 있다.섬유 액막 기술은 새로운 형태의 효율적인 물질 전달 기술로서, 원유 예처리 분야에서의 응용 연구에 따르면 이 기술은 물질 전달 과정에서의 에너지 소비를 효과적으로 줄일 수 있으며, 혼입물도 감소시킬 수 있다. 또한 투자 비용을 절감하고, 필요한 공간을 줄이며, 운영 비용도 절약할 수 있다는 장점이 있다. 동시에 원유에 대한 적응성이 뛰어나므로, 향후 활용 가능성이 매우 높다.호남장링석화과학기술개발유한회사 2016년 전국 석화공업 선진기술 교류회 논문 선집