석유 정제소의 반응기란 무엇인가: 목적, 종류 및 작동 방식

석유 정제소의 반응기란 무엇인가: 목적, 종류 및 작동 방식

핵심 질문에 답하기: 석유 정제소의 반응기란 무엇인가? 반응기는 화학 반응이 일어나는 압력 용기이며, 정제소에서 분자들을 의도적으로 분해하거나 재조립하는 유일한 장소입니다. 플랜트의 다른 모든 부분은 물질을 분리, 가열, 냉각 또는 이동시키지만, 반응기는 물질 자체를 변화시킵니다. 수소 처리 장치는 300-400°C 및 30-100 bar에서 작동하며, 수소와 함께 증류유 스트림을 코발트-몰리브덴 촉매 위로 통과시켜 황을 제거합니다. 수소 분해 장치는 350-450°C 및 100-200 bar에서 작동하며, 중질 가스 오일을 경유 및 항공유로 분해하는 더 깊은 공정을 수행합니다. 촉매 개질 장치는 480-525°C에서 백금 촉매를 사용하여 나프타를 고옥탄가 개질유로 전환합니다. 유동 촉매 분해 라이저는 500-540°C에서 2-5초의 접촉 시간으로 작동합니다. 이러한 용기는 플랜트에서 가장 크고 무거운 장비로, 벽 두께는 100-300mm이고 무게는 최대 1,200톤에 달하며, 정제소의 수익성이 이 안에서 결정되기 때문에 가장 면밀히 감시되는 장비이기도 합니다.

1. 정제소 반응기 내부에서 실제로 일어나는 일

모든 반응기에서는 네 가지 일이 일어나며, 이를 이해하면 전체 설계를 파악할 수 있습니다:

• 원료가 촉매를 만남: 거의 모든 정제소 반응기에는 고체 촉매가 포함되어 있습니다. 이 촉매는 반응이 일어나는 거대한 내부 표면적(그램당 150-400 m2)을 가진 다공성 물질입니다. 원료는 반응 온도로 펌핑 및 가열된 후, 일반적으로 직경 1-3mm의 촉매 펠릿이 채워진 베드를 통과합니다. 반응 속도는 공간 속도로 표현되며, 보통 0.5-5 h-1입니다. 이는 원료가 촉매 부피를 시간당 0.5에서 5회 통과한다는 의미이며, 이 숫자가 달성되는 전환율을 결정합니다. 촉매가 가치를 창출하는 곳이기 때문에, 반응기 내의 다른 모든 것은 촉매를 지원하기 위해 존재합니다. 원료를 고르게 분산시키는 분배기, 촉매를 지지하는 지지 격자, 온도를 읽는 열전대, 온도를 제어하는 퀜칭 시스템 등이 있습니다.
• 열이 방출되거나 흡수됨: 이것이 기계적 설계를 가장 많이 형성하는 요인입니다. 수소 처리 및 수소 분해는 열을 방출하므로, 반응기는 여러 개의 별도 촉매 베드로 제작되고 그 사이에 차가운 수소를 주입하여 온도를 다시 낮추어 각 베드에서의 온도 상승을 20-40°C로 제한합니다. 촉매 개질은 그 반대입니다. 방향족 화합물을 생성하는 반응은 열을 흡수하므로, 반응기는 3-4개의 단열 단계로 배열되고 각 단계 사이에 퍼니스를 두어 열을 다시 공급합니다. 유동 촉매 분해는 이 문제를 다르게 해결합니다. 촉매를 반응기와 재생기 사이에서 지속적으로 순환시키는데, 분해 중에 쌓인 코크가 650-730°C에서 연소되어 활성을 복원하고, 뜨거운 재생 촉매가 이 열을 반응기로 다시 운반하여 분해 반응에 공급합니다.
• 촉매가 서서히 비활성화됨: 모든 촉매는 시간이 지남에 따라 활성을 잃으며, 그 메커니즘은 공정에 따라 다릅니다. 분해 공정에서는 코크가 몇 초 안에 침적됩니다. 수소 처리 공정에서는 코크와 니켈, 바나듐과 같은 금속이 점차적으로 기공을 막아 1-5년 후에 운전이 종료됩니다. 촉매 개질 공정에서는 6-24개월 동안 코크가 축적됩니다. 운전자는 캠페인 기간 동안 온도를 서서히 높여 속도를 복원하지만, 비활성화도 가속화되므로 최대 허용 온도, 베드에서의 압력 강하 또는 제품 사양에 도달하면 운전이 종료됩니다. 그런 다음 반응기는 촉매 재생 또는 교체를 위해 가동 중단되며, 이는 정제소의 정기 점검(turnaround)의 가장 큰 이유입니다.
• 압력, 야금 및 격납: 정제소 반응기는 특별한 성능을 요구하는 압력 용기입니다. 저합금 크롬-몰리브덴 강철로 된 100-300mm의 벽 두께는 일반적이며, 그 이유는 압력뿐만 아니라 수소, 황화수소 및 온도의 조합 때문입니다. 고압의 원자 수소는 일반 강철의 탄소를 공격하여 금속 내에서 메탄을 형성하는데, 이를 고온 수소 공격이라고 하며, 이 때문에 API 941 넬슨 곡선에 따라 재료가 선택됩니다. 용기는 ASME VIII Division 2에 따라 제작되며, 모든 습윤 표면에는 스테인리스 용접 오버레이가 적용됩니다. 또한 최소 가압 온도는 일반적으로 90-150°C이며, 이 온도 이하에서는 장기간 사용 후 강철이 취성이 생기므로 절대 가압해서는 안 됩니다.

2. 정제소에서 볼 수 있는 주요 반응기

현대적인 정제소에는 5-15개의 반응기가 있으며, 각 반응기는 공정 흐름에서 특정 작업을 수행합니다:

• 수소 처리 장치: 모든 정제소에서 가장 일반적인 반응기이며 현대 연료 사양을 가능하게 합니다. 300-400°C 및 30-100 bar에서 코발트-몰리브덴 또는 니켈-몰리브덴 촉매를 사용하여 수소와 반응시켜 황, 질소, 산소, 금속 및 올레핀을 제거합니다. 출력물은 황화수소와 암모니아로, 분리되어 황 플랜트로 보내지며, 초저유황 경유의 10 ppm 황 한도를 충족하는 깨끗한 제품입니다. 정제소의 거의 모든 스트림이 이 장치를 통과합니다. 나프타는 개질기 전에 통과하는데, 황이 백금을 독성으로 만들기 때문입니다. 등유는 항공유 혼합 전에 통과합니다. 경유는 판매 전에 통과합니다. 가스 오일은 FCC 또는 수소 분해 장치 전에 통과합니다. 진공 가스 오일은 전환 전에 통과합니다.
• 수소 분해 장치: 가장 가혹하고 가장 가치 있는 전환 반응기입니다. 350-450°C 및 100-200 bar에서 작동하며 두 가지 작업을 동시에 수행합니다. 산성 제올라이트 성분을 사용하여 중질 분자를 경유 및 항공유 범위의 분자로 분해하고, 금속 성분을 사용하여 수소화합니다. 분해가 수소가 풍부한 환경에서 일어나므로, 생성물은 포화되어 있고 황 및 올레핀 함량이 낮습니다. 따라서 수소 분해 장치 경유 및 항공유는 사용 가능한 최고 품질의 혼합 성분 중 하나입니다. 이 반응기는 4-6개의 촉매 베드, 그 사이의 차가운 수소 퀜칭, 그리고 질소와 황으로부터 분해 촉매를 보호하기 위한 별도의 수소 처리 단계를 갖춘 거대한 두꺼운 벽의 용기입니다.
• 유동 촉매 분해 반응기 및 재생기: 대부분의 정제소에서 주요 휘발유 생산 장치이며, 촉매가 지속적으로 순환하는 유일한 주요 장치입니다. 500-540°C의 재생 촉매와 만나 2-5초 동안 분해되는 수직 라이저 하단으로 오일이 주입됩니다. 촉매와 증기는 사이클론에서 분리되고, 촉매는 증기로 탄화수소를 제거한 후 재생기로 흘러가 650-730°C에서 코크를 연소시켜 활성을 복원하고 분해 반응을 구동하는 열을 생성합니다. 이제 뜨겁고 깨끗한 재생 촉매가 라이저로 돌아갑니다. 대형 장치에서는 전체 순환량이 분당 20-50톤을 초과할 수 있으며, 장비는 강철 라이닝 대신 침식 방지 내화물로 라이닝됩니다. 촉매가 매우 연마성이 강하기 때문입니다.
• 촉매 개질 장치 및 소형 반응기: 촉매 개질 장치는 옥탄가가 40-60인 중질 나프타를 480-525°C 및 5-35 bar에서 백금-레늄 촉매를 사용하여 나프텐을 방향족 화합물로, 파라핀을 분지형 이성질체로 전환하여 95-105로 높입니다. 이는 3-4개의 반응기를 직렬로 연결하고 그 사이에 퍼니스를 둡니다. 또한 정제소의 주요 수소 공급원입니다. 이 외에도 여러 소형 반응기가 있습니다. 이성질화 반응기는 120-250°C에서 경질 나프타 파라핀을 고옥탄가 이성질체로 전환합니다. 알킬화 반응기는 5-20°C에서 황산 또는 불산산을 사용하여 올레핀과 이소부탄을 결합합니다. 수소화 탈황 또는 선택적 수소화 반응기는 분해된 나프타에서 디올레핀을 제거합니다. 황 플랜트에서는 1,000-1,300°C의 클라우스 열 반응기와 200-320°C의 2-3개의 촉매 반응기가 황화수소를 원소 황으로 전환합니다.

주요 정제소 반응기 비교 매트릭스

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 반응기와 증류탑의 차이점은 무엇인가요?

A: 증류탑은 이미 존재하는 것을 분리하는 반면, 반응기는 존재하지 않았던 것을 생성합니다. 탑에서는 분자가 증기와 액체 사이를 이동하여 끓는점별로 정렬되며, 화학 결합은 끊어지거나 형성되지 않습니다. 반응기에서는 결합이 끊어지고 재형성되므로, 배출되는 물질은 유입되는 물질과 화학적으로 다릅니다. 이 차이는 설계에서도 나타납니다. 증류탑은 트레이 또는 패킹으로 가득 차 있고 바닥에서 상단까지 온도 구배로 작동하는 반면, 반응기는 촉매로 가득 차 있고 거의 균일하거나 의도적으로 단계적인 온도로 정밀하게 제어됩니다. 또한 소비하는 것도 다릅니다. 증류탑은 열과 냉각을 소비하는 반면, 반응기는 촉매, 수소, 그리고 분해 시 촉매에 형성되는 코크를 소비합니다.

Q: 정제소 반응기가 왜 그렇게 크고 무거운가요?

A: 세 가지 이유가 복합적으로 작용합니다. 압력과 온도: 200 bar 및 450°C의 수소 분해 장치는 저합금 강철로 된 150-300mm의 쉘 벽이 필요하며, 이 자체만으로도 빈 용기의 무게가 수백 톤에 달합니다. 부피: 촉매 재고는 원료가 촉매와 적절한 시간 동안 접촉하도록 충분히 커야 합니다. 공간 속도가 1 h-1일 때 시간당 300 m3의 원료는 300 m3의 촉매가 필요하므로, 용기는 정의상 큽니다. 내부 장치: 분배기, 지지 격자, 퀜칭 시스템, 온도계 보호관 및 배출구 수집기는 내부 복잡성과 높이를 더합니다. 가장 큰 수소 분해 반응기는 1,200톤을 초과하며, 이는 대부분의 운송 경로 용량을 초과하고 종종 제작 공장 크레인 용량을 초과하므로 수로 근처에 건설되거나 섹션별로 운송되어 현장에서 완성됩니다.

Q: 정제소 반응기는 가동 중단 전에 얼마나 오래 작동하나요?

A: 촉매 비활성화 속도에 전적으로 달려 있습니다. 유동 촉매 분해 촉매는 몇 초 안에 비활성화되어 지속적으로 재생되므로, 장치는 촉매보다는 기계적 및 내화물 상태에 의해 제한되어 3-5년마다 정기 점검을 받습니다. 수소 처리 장치는 1-5년 동안 작동합니다. 깨끗한 원료를 사용하는 나프타 수소 처리 장치는 6년까지 작동할 수 있는 반면, 분해된 원료를 사용하는 경유 수소 처리 장치는 18개월로 제한될 수 있습니다. 수소 분해 장치는 2-5년 동안 작동합니다. 반재생형 촉매 개질 장치는 현장 재생 전에 6-24개월 동안 작동하는 반면, 연속 촉매 재생 장치는 원칙적으로 무기한 작동하며 기계 검사 간격에 의해 제한됩니다. 모든 경우에 제한 요인은 세 가지 중 하나입니다. 베드를 통과하는 압력 강하 증가, 최대 허용 베드 온도 도달, 또는 제품 사양 미달입니다.

Q: 정제소 반응기가 위험한 이유는 무엇인가요?

A: 네 가지 위험이 있으며, 모두 절차만으로는 관리되지 않고 설계에 의해 관리됩니다. 탄화수소 및 수소 재고 내의 고압 및 고온은 누출 시 대규모 가연성 재고가 방출될 수 있으며, 수소 서비스에서는 거의 보이지 않는 불꽃으로 점화될 수 있습니다. 고온 수소 공격은 고압의 수소가 강철의 탄소와 반응하여 메탄을 형성하여 외부에서 보이지 않는 내부 균열을 유발하는 현상입니다. 이 때문에 재료 선택은 API 941 넬슨 곡선을 따르며, 검사는 고급 초음파 방법을 사용합니다. 발열 폭주, 특히 수소 분해 및 수소 처리에서 유량 손실 또는 불균일한 분포가 반응을 더욱 가속화하는 핫스팟을 생성하는 현상으로, 퀜칭 시스템, 다중 열전대 및 API 521에 따라 크기가 조정된 비상 감압 시스템으로 관리됩니다. 발화성 황화철은 황 서비스 용기 내부에 형성되어 정기 점검 시 용기를 공기에 개방할 때 자발적으로 점화되는데, 이는 제어된 산화 또는 촉매 하역 중에 용기를 습윤 상태로 유지하여 관리됩니다.