원유는 증류탑에서 어떻게 여러 제품으로 분리되나요?

Question

화학공학 개론에서 원유 정제 과정을 배우는데, 증류탑 하나에서 휘발유, 등유, 경유 같은 여러 제품이 동시에 분리된다고 들었어요. 끓는점 차이만으로 어떻게 이렇게 다양한 성분을 효율적으로 분리해낼 수 있는 건지 궁금합니다.

이중철 · Accepted Answer

안녕하세요, 스라소니199님. 이중철 전문가입니다.화학공학에서 원유 정제 과정을 배우다 보면 거대한 증류탑 하나에서 어떻게 다양한 석유 제품들이 한꺼번에 쏟아져 나오는지 신기할 수 있습니다. 이것은 학창시절부터 화학 시간에 배웠던 기본적인 분별 증류의 원리가 대규모 공업 화학공정에 완벽하게 잘 적용된 사례이기도 한데요. 끓는점이라는 물질의 고유한 물리적 특성과 증류탑 내부의 정밀한 구조가 어떻게 결합하여 효율적인 분리를 이뤄내는지 답변해 드리겠습니다.1. [증류탑 내부의 구조적 비밀] 온도 구배와 단원유를 여러 성분으로 한 번에 분리할 수 있는 첫 번째 비밀은 증류탑 내부의 정밀한 온도 차이에 있습니다. 정유 공장에서는 원유를 먼저 가열로에 넣어 약 350도에서 400도까지 뜨겁게 가열하여 대부분 기체 상태로 만든 뒤 증류탑 아래쪽에 밀어 넣어요. 증류탑은 위로 갈수록 온도가 낮아지는 온도 구배를 가지고 있는데요. 탑의 맨 아래쪽은 가열된 원유의 열기 때문에 350도 이상으로 매우 뜨겁지만, 맨 꼭대기는 40도 안팎으로 비교적 서늘해요. 탑 내부에는 수십 개의 가로막인 단(Tray)이 설치되어 있어, 올라가는 기체와 내려오는 액체가 서로 만나며 계속해서 열을 교환할 수 있는 계단 역할을 수행한답니다.2. 끓는점 차이에 따른 물질의 순차적 액화기체 상태로 변한 원유 성분들은 증류탑 내부를 따라 위로 상승하기 시작합니다. 이때 각 물질의 끓는점, 즉 액화되는 온도에 도달하는 높이에서 기체가 다시 액체로 변해 고이게 되며, 이를 탑 옆면의 파이프를 통해 밖으로 빼냅니다. 탄소 원자의 개수가 많고 분자량이 커서 끓는점이 매우 높은 중질유나 아스팔트 성분은 탑 아래쪽의 뜨거운 온도에서도 기체 상태를 유지하지 못하고 가장 먼저 액체로 변해 바닥으로 가라앉습니다. 반면에, 끓는점이 상대적으로 낮은 경유는 조금 더 높은 층까지 기체 상태로 올라가다가 약 250도에서 350도 사이의 구역에서 액화되어 분리됩니다. 이보다 더 가볍고 끓는점이 낮은 등유는 180도에서 250도 구역에서, 나프타와 휘발유 성분은 40도에서 180도 사이의 탑 상부 구역까지 올라가서 액체로 변하는데요. 마지막으로 끓는점이 영하인 석유가스(LPG) 성분은 맨 꼭대기까지 기체 상태를 유지하며 맨 위로 빠져나오게 되는 것이지요.3. 분리의 순도를 높이는 기체-액체 평형과 환류 시스템단순히 기체가 올라가다가 한 번에 액체로 변하는 것만으로는 휘발유나 경유의 순도를 높이기 어려운데요. 화학공학에서는 이를 해결하기 위해 기체와 액체가 끊임없이 반응하는 기체-액체 평형 상태를 유도합니다. 각 단에는 버블 캡이라고 불리는 특수한 덮개가 있어, 아래에서 올라오는 기체가 상온의 액체 속을 보글보글 통과하게 만듭니다. 이 과정에서 끓는점이 높은 물질은 기체에서 액체로 떨어지고, 끓는점이 낮은 물질은 액체 속에 있다가도 기체의 열을 받아 다시 증발하여 위층으로 이동하게 되는 것이지요. 또한, 탑 꼭대기에서 분리된 가벼운 액체 성분의 일부를 식혀서 다시 탑 내부로 흘려보내는 환류(Reflux) 과정을 거치게 되는데요. 위에서 차가운 액체가 아래로 내려오고 밑에서 뜨거운 기체가 올라오면서 증류탑 내부에서는 수천 번의 증발과 응축이 무한히 반복됩니다. 이 덕분에 탑 하나만 가지고도 놀라울 정도로 높은 순도로 여러 제품을 동시에 완벽하게 분리해낼 수 있는 것이랍니다.정리하자면, 원유가 증류탑에서 여러 제품으로 분리되는 원리는 가열된 원유 기체가 위로 갈수록 온도가 낮아지는 증류탑을 상승하면서 각 성분의 고유한 끓는점에 맞춰 순차적으로 액화되기 때문이며, 증류탑 내부에 설치된 수십 개의 단과 환류 시스템을 통해 증발과 응축의 기체-액체 평형 반응을 끊임없이 반복함으로써 하나의 탑 안에서 분자량이 다른 휘발유, 등유, 경유 등을 높은 순도로 효율적으로 동시 분리해내는 화학공학적 메커니즘이 작동하고 있어요.※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉