게시판 > 질답게시판 > 납사 저장 탱크 내 Light 성분의 기화 관련 질문

Stefano

22-09-15 21:01

(1) 정유공장에서 분리되어 생산되는 Naphtha는 LPG와 Kerosene의 중간에서 증류되어 나오는 성분으로 주로 C5~C12, 비점은 대략 35~220 ℃ 범위의 유분이나 실제성분으로는 C3~C15 성분도 포합될 수 있습니다.
Ref: https://www.yncc.co.kr/en/product/chemistry/naphtha1.do

Light Naphtha는 35~130℃ Heavy Naphtha는 130~220℃ Full Range Naphtha는 이들 둘을 모두 합한 성분이지요.
석유류 증류시험 방법중 가장 흔히 쓰이는 방법으로 ASTM D86이 있는데 이는 대기압 상태에서 증발되어 나오는 온도구간 액상부피로 나타냅니다. 실제 화학적 성분은 아주아주 많기 때문에 간단히 나타내는 방법인데 저비점 성분으로 C2, C3, C4도 포함될 수 있습니다.

저비점 성분들이 고비점 석유성분에 함께 용해되어 있다는 것은 전혀 이상한 일이 아닙니다.

(2) 정유공장에서 생산되는 Naphtha 제품은 대부분 석유화학원료로 사용되는데 특정 비점 구간을 좁혀서 증류생산함으로써 부가가치가 높은 특정용도로 쓰이기도 합니다. 또한 저장, 수송, 등에 있어서 취급 안전성을 높여주기 위해 초비점 IBP(초류점 Initial Boilng Point)이 높은 Naphtha를 생산하는데 생산 제품 규격에 Flash Point(인화점) 값을 제한하기도 합니다. Flash Point값이 높을수록 취급이 용이하고 안전하겠지요. (Flash Point를 높여주기 위해 주 증류탑 옆에 Stripping Column 을 달아주고 Steam을 사용하여 제품중 저비점 성분함량을 낮추어 줍니다.)

선박으로 도입되는 Naphtha 제품의 Flash Point 규격 혹은 IBP 온도를 알아보도록 하세요.

(3) 저비점 성분이 많이 포함된 Naphtha인 경우라도 FRT에 저장중 C4, C5 성분이 증발되어 달아나지는 못합니다. 이들 성분이 포함된 채 Feed Pump로 공정에 공급됩니다. 만일 Feed Pump가 Cavitation이 문제가 된다면 Tank 액면을 높이 유지하면 됩니다. 일단 펌프에 들어와 액의 압력이 높아진 다음에는 모든 성분의 비점은 높아지게 됩니다. Feed Naphtha Vaporizer가 있다면 제품의 대기압 평균비점보다 훨씬 높은 온도로 가열해야 기화될 것입니다.

Light Naphtha는  35~130℃  Heavy Naphtha는 130~220℃  Full Range Naphtha는 이들 둘을 모두 합한 성분이지요.
석유류 증류시험 방법중 가장 흔히 쓰이는 방법으로  ASTM D86이 있는데 이는 대기압 상태에서 증발되어 나오는 온도구간 액상부피로 나타냅니다.   실제 화학적 성분은 아주아주 많기 때문에 간단히 나타내는 방법인데 저비점 성분으로 C2, C3, C4도 포함될 수 있습니다.

저비점 성분들이 고비점 석유성분에 함께 용해되어 있다는 것은 전혀 이상한 일이 아닙니다.

(2) 정유공장에서 생산되는 Naphtha 제품은 대부분 석유화학원료로 사용되는데  특정 비점 구간을 좁혀서 증류생산함으로써 부가가치가 높은 특정용도로 쓰이기도 합니다.   또한 저장, 수송, 등에 있어서 취급 안전성을 높여주기 위해 초비점 IBP(초류점 Initial Boilng Point)이 높은 Naphtha를 생산하는데 생산 제품 규격에 Flash Point(인화점) 값을 제한하기도 합니다.   Flash Point값이 높을수록 취급이 용이하고 안전하겠지요.   (Flash Point를 높여주기 위해 주 증류탑 옆에 Stripping Column 을 달아주고 Steam을 사용하여 제품중 저비점 성분함량을 낮추어 줍니다.)

선박으로 도입되는 Naphtha 제품의 Flash Point 규격 혹은 IBP 온도를 알아보도록 하세요.

(3) 저비점 성분이 많이 포함된 Naphtha인 경우라도 FRT에 저장중 C4, C5 성분이 증발되어 달아나지는 못합니다.  이들 성분이 포함된 채 Feed Pump로 공정에 공급됩니다.  만일 Feed Pump가 Cavitation이 문제가 된다면 Tank 액면을 높이 유지하면 됩니다.    일단 펌프에 들어와 액의 압력이 높아진 다음에는 모든 성분의 비점은 높아지게 됩니다.   Feed Naphtha Vaporizer가 있다면 제품의 대기압 평균비점보다 훨씬 높은 온도로 가열해야 기화될 것입니다.

libero0606

22-09-15 23:07

늦은 시간에도 답변을 작성해주셔서 감사합니다.

실제로 입고되는 납사의 IBP 는 모두 30~40℃ 사이이고, FBP 는 납사 Origin 마다 다양하여 Light 한 경우 100℃ 까지, Heavy 한 것은 약 190℃ 까지도 입고 실적이 존재했습니다. Flash point 는 측정하고 있지 않았습니다.

번거로우시겠지만 질문 몇 가지를 더 하자면,

(1) 소량 포함된 C4 이하의 저비점 성분은 IBP 의 측정으로는 검출이 불가능한 것인가요? IBP 분석값 (30 ~ 40℃) 만 보면 C5 이상의 성분만 존재하는 것으로 보입니다.

(2) FRT 내에서 C4 및 C5 가 비점보다 높은 대기 온도에 노출되더라도 증발하지 않는다면, 다운스트림에서 잉여되는 C4 및 C5 성분을 납사 저장 탱크로 Recycle 하여 사용하여도 증발로 인한 손실은 무시할만하다고 생각해도 될까요?

(3) 정유 공정은 거의 문외한이라 아주 기초적일 수 있는 질문이지만, CDU 에서 생산되는 납사의 파라핀 성분 중 Normal paraffin 과 Iso paraffin 의 비율은 원유의 성상에 의존하는 것인가요? 아니면 CDU 의 운전에 따라서 변화할 수 있는 값인가요?

Stefano

22-09-16 09:31

(A1) 사실 Naphtha의 공급원에 따라 성분분포는 아주 다양할 것입니다. 초류점(IBP) 측정을 위해 증류장치 첫방울이 만들어 질 때까지 많은 저비점 성분들이 증발되고 응축되여야 할 것이므로 두루뭉실한 IBP 값으로부터 특정성분의 합량을 결정할 수도 없고 해서도 안될 것입니다. 실제로 IBP나 Flash Point는 한두가지의 성분만으로 결정되지 않기 때문이지요

보다 정확한 분석을 위해서는 가스크로-질량분석기(GC-MS)등과 같은 분석기를 사용하는 방법(ASTM D5134)이 있습니다. GC 분석으로는 IBP값보다 훨씬 낮은 비점의 성분도 검출되기 때문에 분명히 C3, C5 뿐 만 아니라 C1, C2성분도 포함되어 있는 것을 알 수 있을 것입니다.
(참고: 실제 분석측정 그래프: https://www.shimadzu.eu/sites/shimadzu.seg/files/SEG-images/industries/HPI/pdf/pdf/ads-0173.pdf)

(A2) 탱크간 Naphtha 이동시 탱크의 Vapor Phase를 서로 Equalizing Line으로 연결해 두고 과압배출용 위해 Breather Valve를 달아두면 이송시 부분증발되어 있는 Vapor의 손실은 최소화 할 수 있을 것입니다. 관리를 잘하게 되면 손실량을 무시할 수 도 있을 것입니다.

(A3) 상압증류탑에서 생산되는 유분의 성분분포는 순전히 도입된 Crude Oil 성분조성에 따라 아주 크게 달라집니다. 위 (A1)의 참고그래프에서 분석된 PIONA값은 Typical Naphtha 분석치를 Paraffins, Isoparaffins, Olefins, Naphtenes, Aromatics 의 성분으로 분석기에서 자동계산하여 나타낸 값인데 다른 원유가 CDU 원료로 사용되었다면 크게 다른 PIONA분석치를 보여줄 것입니다.

CDU 증류장치는 성분을 변화시키는 장치가 아니고 단순히 들어있는 성분들을 비점대로 분리해 내는 장치라서 증류도중 성분이 달라지지 않습니다. 이에 반하여 Reformer, Isomerizer, Hydrogenator, Disproportionator, 등은 증류장치가 아니고 촉매가 들어있는 일종의 화학반응장치 들이기 때문에 이들을 거치게 되면 성분이 달라집니다.

보다 정확한 분석을 위해서는 가스크로-질량분석기(GC-MS)등과 같은 분석기를 사용하는 방법(ASTM D5134)이 있습니다.   GC 분석으로는 IBP값보다 훨씬 낮은 비점의 성분도 검출되기 때문에  분명히 C3, C5 뿐 만 아니라 C1, C2성분도 포함되어 있는 것을 알 수 있을 것입니다.    
(참고: 실제 분석측정 그래프:  https://www.shimadzu.eu/sites/shimadzu.seg/files/SEG-images/industries/HPI/pdf/pdf/ads-0173.pdf)

(A2) 탱크간 Naphtha 이동시 탱크의  Vapor Phase를 서로 Equalizing Line으로 연결해 두고 과압배출용 위해 Breather Valve를 달아두면 이송시 부분증발되어 있는 Vapor의 손실은 최소화 할 수 있을 것입니다.   관리를 잘하게 되면 손실량을 무시할 수 도 있을 것입니다.

(A3) 상압증류탑에서 생산되는 유분의 성분분포는 순전히 도입된 Crude Oil 성분조성에 따라 아주 크게 달라집니다.  위 (A1)의 참고그래프에서 분석된 PIONA값은 Typical Naphtha 분석치를 Paraffins, Isoparaffins, Olefins, Naphtenes, Aromatics 의 성분으로 분석기에서 자동계산하여 나타낸 값인데 다른 원유가 CDU 원료로 사용되었다면 크게 다른 PIONA분석치를 보여줄 것입니다.

CDU 증류장치는 성분을 변화시키는 장치가 아니고 단순히 들어있는 성분들을 비점대로 분리해 내는 장치라서 증류도중 성분이 달라지지 않습니다.    이에 반하여  Reformer, Isomerizer, Hydrogenator, Disproportionator, 등은 증류장치가 아니고 촉매가 들어있는 일종의 화학반응장치 들이기 때문에 이들을 거치게 되면 성분이 달라집니다.

Stefano

22-09-16 19:19

**참고: 일정 온도(t)에서 액상성분 i 성분의 몰분율(xi)과 평형을 이루고 있는 증기성분 몰분율 (yi) 간의 관계식 (라울의 법칙)

각 성분번호: 1,2, 3,... i, ....n
각 성분의 액상몰분율: x1, x2,....xi,.....xn x1+x2+...xi, ..xn = Σ (xi) = 1 .....................(1)
온도t에서 각 성분의 (순성분)증기압: p'1, p'2,... p'i, .....p'n

각 성분의 기상분압: P1, P2,.... Pi P1=x1*p'1, P2 =x2*p'2, .... Pi = xi*p'i .............(2)
기상분압의 총합 = 증기의 전체압력: P = P1+P2+.....Pi,...Pn = Σ (xi*p'i) ...............................................(3)
증기중 각 성분의 기상 몰분율: y1, y2,... yi,....yn yi = Pi/P = (xi*p'i/P) .........................................(4)
증기상 각 성분 몰분율의 합: y1+ y2+.... yi, + yn = Σ (xi*p'i/P) = (1/P) Σ (xi*p'i) = 1 ..............(5)

대산조아 libero0606

22-09-19 16:37

많은 도움이 되었습니다. 감사합니다!