KAERI/AR-808/2008 기술현황분석보고서 방사성동위원소의산업적응용기술개발을위한국내정유및석유화학산업의기술현황분석보고서 Technical Reviews on the Petroleum Refining Industry and the Petrochem ical Industry for the Developm ent of Industrial Application of Radioisotope. 한국원자력연구원
제출문 한국원자력연구원장귀하 본보고서를 감마선이용대형산업공정영상진단기술개발 과제의 " 방 사성동위원소의산업적응용기술개발을위한국내정유및석유화학산업 의기술현황분석보고서 " 로제출합니다. 2008 년 9 월 과제명 : 감마선이용대형산업공정영상진단기술개발 주저자 : 정성희 공저자 : 김종범이나영권택용
요약문 석유는전세계적에너지사용량의 35.0%, 국내의경우 43% 를차지하는대표적에너지원이며, 석유화학산업은납사를원료로약 120배에달하는부가가치를창출하는성장성이높은고부가가치산업이다. 그러나미래첨단산업발전에견인차역할을수행하는정유및석유화학관련산업에서공정중에발생되는공정상의문제점을진단하는기술은앞으로더연구되어야할과제이다. 가동중인산업설비에대한진단정보는제품의순도저하요인파악은물론이상현상발생시유지및보수작업의정확한계획수립에활용되므로막대한비용절감효과와제품의경쟁력확보에기여할수있다. 하지만, 석유산업의고밀도설비및고온, 고압공정상의여러제약에따라그진단기술역시제한적인것이현실이다. 석유산업의경우원자력이용기술은가동중진단이라는산업계의요구를충족시킬수있는다양한기술들이연구되어왔으며, 더많은응용기술에대한연구분야가산재해있다. 하지만, 기술의유용성에도불구하고동위원소이용산업진단기술에대한발전된연구개발수행을위해서는국가차원의전략적인지원이필요한실정이다. 외국의경우산업설비와내부공정유체에대한진단결과의영상화기술을확보하기위한경쟁적인연구가진행되고있지만, 국내의경우연구그룹이소수에그치고있어기술종속이우려되고있다. 현재한국원자력연구원은방사성동위원소의응용기술을산업분야에적용하기위한연구개발을통하여국가주도산업의경쟁력을확보하기위한연구를수행중이며, 보다활발한연구들이이루어져기술독립을확보할필요성이요구된다. - I -
SUMMARY ( 영문요약문 ) Petroleum is the major energy source that supplies 35% of the total power all over the world. And the petrochemical industry generates a 120 times higher value from naphtha, and in cooperates new technology in order to keep its business prosperous. These large plant industries require in-service diagnosis technology for an optimal and efficient operation and maintenance. Since diagnosis information obtained from an on-line plant can be used for a correct operation and maintenance workplan in the case of a deteriorated product quality as well as a mechanical abnormality, this technology can contribute to a huge cost benefit and a product competitiveness. The gigantic plants equipped with heavy materials can hardly be evaluated with conventional techniques due to their harsh environment of a high temperature and a pressure. Radiation and radioisotope application technology has been studied to meet the demand of the industry, but has yet to be developed further. In spite of its usefulness, the strategic support is not enough to carry out the research activities on advanced industrial testing technology using radioisotopes. It is of importance to secure a national competitiveness by intensifying the support for the newly emerging technologies such as an industrial gamma tomography and a process visualization and validation incorporated with a CFD. - II -
목 차 제 1 장서론 1 제 2 장국내정유 / 석유화학산업의개요및현황 2 제1절정유산업과석유화학산업의개요 2 제2절국내정유산업과석유화학산업의현황 3 제 3 장정유 / 석유화학산업의주요공정 8 제1절정유산업의주요공정 8 제2절석유화학산업의주요공정 11 제 4 장정유 / 석유화학산업을위한원자력이용기술연구개발의필요성 14 제1절기술의중요성 14 제2절방사성동위원소의산업적응용기술현황 14 제 5 장결론 19 참고문헌 20 - III -
그림목차 그림 1. Schematic diagram of the column scanning system 15 그림 2. Principle of Residence Time Distribution (RTD) method 15 그림 3. Diagram of Industrial Process diagnosis Gamma Tomography 16 그림 4. Schematic diagram of the leak detection 17 그림 5. The cross correlation principle of component velocity measurement in a multi-phase flow 18 - IV -
표목차 표 1. 석유화학관련계열공장의보유수 3 표 2. 국내정유사의고도화비율 4 표 3. 벙커C유및두바이유가격추이 5 표 4. 국내원유도입실적 5 표 5. 국내정유능력 6 표 6. 국내석유관련제품의연간수입 / 수출액 6 표 7. 국내정유사별정유시설현황 7 - V -
제 1 장서론 석유는전세계적에너지사용량의 35.0%( 국내의경우 43%) 를차지하는대표적인에너지원이다. 세계각국은국가의사활을걸고석유자원확보에나서고있으며, 최근이라크유전확보를위한이라크전쟁및미국-유럽의대립, 중앙아시아및러시아유전확보를위한미국-러시아-중국-일본의치열한외교전등은그예라할수있다. 이러한석유자원을증류 (Distillation) 를통하여순도및가치높은석유제품및반제품으로제조하는것을정유라한다. 또한석유제품은에너지자체로서의역할뿐아니라여타산업의원자재로서의역할및국가세수의주요원천으로서의역할을하고있다. 석유화학산업은납사를원료로약 120배에달하는부가가치를창출하는성장성이높은고부가가치산업이며, 또한핵심기간산업및첨단산업의성장동력이다. 석유화학산업은각종산업에필요한기초소재공급은물론정보통신기술 (IT) 등첨단산업에까지필수적인소재를공급해주는역할을담당하고있다. 또한각종생활용품에서부터정밀화학, 합성섬유, 정보통신, 자동차, 생명공학, 및건설업에이르기까지다양한기초원자재에서첨단소재까지제공함으로서미래첨단산업발전에견인차역할을수행하고있다. 그러나이러한정유및석유화학관련산업에서발생되는공정상의문제점을진단하는기술이부족한실정이다. 본보고서에서는방사성동위원소의산업적응용기술개발을위하여국내정유및석유화학산업의현황및방사성동위원소의산업적응용기술현황자료를수집하여분석하였다. 1) 국내정유 / 석유화학산업의현황및경제적파급효과 2) 방사성동위원소를이용한기존의공정중진단기술현황및응용기술연구 - 1 -
제 2 장국내정유 / 석유화학산업의개요및현황 제 1 절정유산업과석유화학산업의개요 석유는세계에서가장대표적인에너지원이며, 석유제품은에너지자체로서의역할뿐아니라여타산업의원자재로서의역할및국가세수의주요원천으로서의역할을담당하고있다. 이러한석유관련사업은크게석유정제 ( 정유 ) 산업과석유화학산업으로나뉜다. 석유정제산업이란원유에물리적 화학적인처리를하여여러가지석유제품을만드는각각의작업공정, 또는이것들을조합한일련의공정을이용한산업을말한다. 주요한과정은원유를증류 ( 蒸溜 ) 하여이것들을각유분대로분리하는작업인데, 원유는처음에표준기압하에서증류하여가솔린과경질유분의나프타로분리하여채집한다. 이런조작을토핑 (topping) 이라하며, 석유정제법의주요과정으로되어있다. 각공정의조합은원유의상태나요구되는제품의품질, 정유공장의설비에따라다르나, 석유정제의주요한과정은원유를증류 ( 蒸溜 ) 하여이것들을각유분대로분리하는작업이다. 석유화학산업이란납사또는천연가스를원료로해서에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, BTX등의기초유분과이를원료로하는합성수지 ( 플라스틱 ), 합성섬유 ( 폴리에스터, 나일론 ), 합성고무및각종유도품 ( 정밀화학제품원료및중간체 ) 을제조하는산업이다. 석유화학에는석유등의원료를이용하기쉬운상태로바꾸는전화 ( 轉化 ), 전화한것으로부터필요로하는것의분리 정제, 분리물질을가공하여석유화학제품으로만드는여러공정이있다. 전화법은나프타분해외에, 용해추출 ( 溶解抽出 ) 흡착 ( 吸着 ) 증류 ( 蒸溜 ) 등의방법을사용하며, 생산공정에서는합성화학 화학공학의여러가지방법을쓴다. 석유화학공업은원료면에서는석유정제업에결부되고, 수요면에서는각종합성화학공업에밀접하게결부되어있다. 일반적으로각종산업은제품에따라분류하지만, 석유화학산업은그중요공정이화학반응을가지는특수한것이므로, 원료에주안점을두어분류하는등의특수성이있다. 또한석유화학산업은전형적인장치산업 ( 裝置産業 ) 으로완전히자동화되어있다. 새로운기술과제품개발에의해섬유등종래의제품의대체뿐만아니라각종합성수지등과같은새로운분야의개발이급속도로진척되어전자공학 원자력산업등과같이기술혁신시대의대표산업이라할수있다. - 2 -
[ 자료출처 : 전자백과사전 ]. 제 2 절국내정유산업과석유화학산업의현황 국내석유산업은 GDP의 7% 를차지하고있으며, 국내에서유류세로내는세금만 24조원에육박하고있다. 국내석유산업의첫번째공정인석유정제부문을담당하고있는업체는 SK( 주 ), GS칼텍스, S-oil, 현대오일뱅크, SK인천정유등모두 5곳이다. 이들업체들은수입한원유를증류해 LPG와휘발유, 등유, 경유, 중유, 윤활유, 아스팔트를생산한다. 국내 5대정유사의하루정제능력은총 281 만배럴. SK( 주 ) 울산공장이 84만배럴로가장큰규모를갖추고있다. 이어 GS 칼텍스여수공장이 72만5천배럴, S-oil 울산공장이 58만배럴, 현대오일뱅크대산공장이 39만배럴, SK인천정유가 27만5천배럴을생산하고있다. 지난해 (2007년) 기준국내에틸렌생산규모는연산 672만톤으로미국, 일본, 중국등에이어세계 5위를달리고있다. 국내석유화학산업은 5대수출사업군가운데하나로그영향력은점차커지고있다. 원유를정제한석유제품은지난해수출 200억달러를넘어서면서국내수출상품 5위를기록했다. 표 1. 석유화학관련계열공장의보유수 [ 출처 : 한국석유화학공업협회 ] - 3 -
그러나, 앞으로의석유정제산업과석유화학산업은배럴당 100달러에달하는초고유가시대와중동 중국의잇단신증설로어려움이예상된다. [ 출처 : 매일노동뉴스 2007년 4월 10일 ] 이에국내석유산업계는수익성확보를위하여고도화설비에대한투자및고품질전략으로대응하고있다. 원유는 1차정제과정을거치면프로판, 부탄, 휘발유, 경유, 등유, 나프타, 벙커C유등의제품으로생산된다. 석유정제는연산품생산공정이므로중질유같은활용도가낮은제품이반드시생산되어진다. 이가운데부가가치가높지않은벙커C유등의중질유제품이절반이상발생한다. 국내정유사의경우이를다시정제과정을거쳐고부가가치제품인휘발유와경유등경질유로만들어내는고도화설비의증설을통해생산수율을향상시켜가고있다. 고도화설비는공정에따라크게둘로나뉜다. 촉매를이용, 중유에서휘발유를직접생산하는유동상촉매분해공정 (FCC: Fluid Catalytic Cracking) 과수소를첨가해등경유를주로만들어내는하이드로크래커 (HCR: Hydrocracker) 로구분된다. 이두설비는모두중질석유제품을재처리한다는의미에서 HOU(Heavy Oil Upgrading) 로도불린다. 또한, 원유에비해값이싼벙커C유를도입함으로써얻는수익성등으로인해현재고도화설비는정유업계의필수공정으로자리매김해가고있다. 표 2. 국내정유사의고도화비율 - 4 -
표 3. 벙커 C 유및두바이유가격추이 국내원유도입실적 1,000,000 800,000 도입량 ( 천 BBL) 600,000 400,000 200,000 0 1964 1970 1976 1982 1988 1994 2000 2006 도입연도 [ 자료 : 지식경제부에너지자원실 ] 표 4. 국내원유도입실적 - 5 -
국내정유능력 3000 2500 정유능력 ( 천 BPSD) 2000 1500 1000 500 0 1965 1980 1991 1994 1997 2000 2003 2006 연도 [ 자료 : 통계청 ] 표 5. 국내정유능력 국내석유관련제품의연간수입 / 수출액 12,000,000 10,000,000 8,000,000 천달러 6,000,000 4,000,000 수출액수입액 2,000,000 0 1988 1990 1993 1995 1998 2000 2003 2005 2008 연도 [ 자료 : 통계청 ] 표 6. 국내석유관련제품의연간수입 / 수출액 - 6 -
국내정유사별정유시설현황 900 800 정유시설보유현황 700 600 500 400 300 200 100 0 [ 자료 : 에너지경제연구원 ] 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 연도 1996 1998 2000 2002 2004 2006 표 7. 국내정유사별정유시설현황 SK LG 정유인천현대 S-oil 석유정제산업과석유화학산업은고유가시대와중동 중국의잇단신증설이라는어려움속에서도생산설비의수율증대를위한연구노력과고도화설비의증설및제품의고품질화, 다양화를통해지금의석유산업선진국의위상을유지하고있다. - 7 -
제 3 장정유 / 석유화학산업의주요공정 제 1 절정유산업의주요공정 정유공정은크게원유중에포함된염분을제거하는탈염장치등전처리과정을거친후가열된원유를상압 ( 常壓 ) 증류탑에투입하면증류탑에서비등점차이에의해가벼운성분부터상부로부터분리하는증류 (Distillation), 증류탑으로부터유출된유분중의불순물을제거하고, 제품별특성을충족시키기위하여 2차처리공정을거치게함으로써품질성상을향상시키는정제 (Purification), 상압증류공정이나 2차처리공정에서나오는각종유분을각제품별규격에맞게적당한비율로혼합하거나첨가제를주입하는배합 (Blending) 으로나뉜다. 1. 상압증류공정 (Atmospheric Distillation Unit) 정유공정중가장중요하고기본이되는공정으로, 증류의원리에의해서원유를가열, 냉각및응축과같은물리적변화과정을통하여일정한범위의비점을가진석유유분을분리시키는공정이다. 2. 메록스공정 (Merox Unit) 상압증류공정에서생성된경질유분에함유된황화수소 (H 2 S) 를제거하고악취가심한머캡탄 (Mercaptan) 성분을악취가덜나는이황화물 (Disulfide) 로전환또는제거하는공정이다. 3. 가스회수공정 (GCU, Gas Concentration Unit) 상압증류공정및접촉개질공정 (Platforming Unit) 에서생성된프로판 - 부탄혼합 가스로부터 90 95 % 이상의순수한프로판과부탄을분리회수하는공정이다. 4. 수첨탈황공정 (Hydrodesulfurization Unit) 상압증류공정에서생성된조나프타 (Raw Naphtha), 조등유 (Raw Kerosene) 경질가스유 (LGO) 등을촉매하에서수소를첨가, 반응시킴으로써유황분을비롯한질소및금속유기화합물등각종불순물을제거하고품질을개선시키는공정이다. 조나프타를처리하여용제를생산함과동시에접촉개질공정의원료유를제조하는나프타수첨탈황공정 (Unifining Unit), 조등유또는경질가스유를처리하여등유, 항공유, 경유등을생산하기위한등 / 경유수첨탈황공정 [ MDU (Middle Distillate Hydrodesulfurization Unit) ] 이있다. - 8 -
5. 접촉개질공정 (Platforming Unit) 옥탄가가낮은경질유분의탄화수소구조를바꾸어옥탄가가높은유분으로변환시키는방법을리포오밍 (Reforming) 이라고한다. 리포오밍의대표적인방식이접촉개질법이다. 접촉개질공정은저옥탄가의나프타를백금계촉매하에서수소를첨가, 반응시킴으로써휘발유의주성분인고옥탄가의접촉개질유 (Reformate) 를생산하는공정이다. 접촉개질유에는방향족화합물이다량함유되어있으므로벤젠, 톨루엔, 자일렌을생산하기위한방향족추출공정의기본원료로도사용된다. 6. 감압증류공정 (VDU, Vacuum Distillation Unit) 고비점유분을고온에서증류하면열분해가발생하여품질및수율저하와가열관내코크스생성 부착에따른가열관손상을초래하게되므로열분해방지를위해서는증류탑의압력을감압상태로하여유분의비점을저하시켜증류시키는것이감압증류 (Vacuum Distillation) 공정이다. 액체에가해지는압력을낮추면비점이낮아진다는물리적원리를이용하여, 상압증류탑에서분리된상압잔사유 (AR, Atmospheric Residue) 를감압상태에서증류하여중질유수첨분해공정의원료로사용되는감압경질유분 (VGO, Vacuum Gas Oil) 과중질유수첨탈황공정및아스팔트산화공정의원료로사용되는감압잔사유 (VR, Vacuum Residue) 를생산하고또한직접아스팔트도생산한다. 7. 아스팔트산화공정 (AOU, Asphalt Oxidizing Unit) 감압증류공정에서경질유분을분리하고남은감압잔사유 (Vacuum Residue) 를압 축공기로산화 중합시켜아스팔트제품을생산하는공정이다. 8. 중질유수첨분해공정 (UC, Unicracking Unit) 감압증류공정에서생산된감압경질유분 (Vacuum Gas Oil) 을촉매존재하에수소를첨가하여분해및탈황시켜초저유황등ㆍ경유등의경질석유제품으로전환하는공정이다. 전환되지않은미전환유 (Unconverted Oil) 는윤활기유공정 (Lube Base Oil Plant) 의원료로사용된다. 9. 감압잔사유탈황공정 (VRDS, Vacuum Residue Desulfurization Unit) 감압증류공정에서생산된감압잔사유 (Vacuum Residue) 와상압잔사유 (Atmosphe ric Residue) 를원료로촉매존재하에수소를첨가하여탈황시켜초저유황 B-C ( 유황함량 0.5 wt% 이하 ) 및경유를생산하는공정이다. 10. 유황회수공정 (SRP, Sulfur Recovery Plant) 중질유분해및탈황공정에서생성된 H2S 가스를촉매존재하에반응시켜 (Claus - 9 -
반응 ; H2S 를 O2 와반응시킴 ) 99.9 % 의순도를지닌용융황 (Molten Sulfur) 을 회수하는공정이다. 11. 수소제조공정 (HP, Hydrogen Plant) 경질나프타또는부탄을촉매존재하에수증기와접촉반응 (Steam Reforming) 시켜약 70 % 순도의수소를제조하고 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을거쳐불순물을제거하여순도 99.9 % 이상의수소를제조하는공정이다. 생산된수소는중질유수첨분해공정, 중질유수첨탈황공정, 중질유탈황공정, 중질유유동상촉매분해공정및윤활기유제조시설등에공급된다. 12. 윤활기유제조시설 (LBO, Lube Base Oil Plant) 중질유수첨분해공정미전환유 (Unconverted Oil) 를촉매존재하에수첨처리하여 Wax성분을제거한뒤방향족성분을포화시켜, 윤활유의원료인고점도지수 (Very High Viscosity Index) 윤활기유 (Lube Base Oil) 를생산하는시설이다. 13. 중질유탈황공정 (RHDS, Residue Hydro-Desulfurization Unit) 고유황상압잔사유 (H/S Atmospheric Residue) 를고온 고압하에서수소를첨가탈황하여유동상촉매분해공정의원료가되는저유황연료유 (L/S Fuel Oil) 와경유등을생산하는공정이다. 14. 중질유유동상촉매분해공정 (RFCC, Residue Fluid Catalytic Cracking Unit) 중질유탈황공정 (Residue Hydro-Desulfurization Unit) 에서생산된저유황연료유 (L/S Fuel Oil) 와저유황상압잔사유 (L/S Atmospheric Residue) 를원료로유동상촉매분해를통해휘발유원료등을생산하는공정이며이외기타의위성공정 (Alkylation, MTBE, PRU) 등으로구성되어있다. 가. MTBE 공정 (Methyl Tertiary Butyl Ether Unit) 중질유유동상촉매분해공정 (RFCC) 에서생산된 C4 유분중 iso-butylene을메탄올과반응시켜고옥탄함산소유분인 MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether) 를생산하는공정이다. 나. 알킬화공정 (Alkylation Unit) MTBE공정에서생산되는 C4 Raffinate중 Butylene을 iso-butane과반응시켜옥탄가가높은고청정휘발유배합유분인 Alkylate를생산하는공정이다. 다. 프로필렌회수공정 (PRU, Propylene Recovery Unit) 중질유유동상촉매분해공정 (RFCC) 에서생산되는 Gas Stream 중프로필렌 - 10 -
(Propylene) 을회수하는공정이다. 15. 벤젠회수시설 (Benzene Recovery Unit) 접촉개질공정에서생산된접촉개질유 (Reformate) 를촉매존재하에분리및추출하여벤젠을회수하는시설로저벤젠휘발유를제조하는데활용된다. [ 출처 : 대한석유협회 ] 제 2 절석유화학산업의주요공정 석유화학산업은탄소화합물의탄소고리를분해하는공장을모체로하는산업이다. 이때원료로사용되는것이납사이며, 납사를분해하는설비를 납사분해설비 (NCC, Naphtha Cracking Center) 라고한다. 납사분해설비에서는에틸렌에서부터, 프로필렌, C4 유분등의올레핀류와방향족제품 (BTX, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 ) 의원료가되는 RPG(Raw Pyrolysis Gasoline) 를생산하여석유화학제품의원료를공급한다. 납사분해설비에서생산되는제품들의생산수율은투입되는납사의물성에따라다르지만, 보통에틸렌 31%, 프로필렌 16%, C4유분 10%( 부타디엔원료 ),RPG( 벤젠, 톨루엔, 자일렌원료 ) 14%, 메탄 수소 LPG 등기타제품이 29% 생산된다. 석유화학제품생산의기본이되는납사의분해는분해공정, 급랭공정, 압축공정, 냉동공정, 분리정제공정으로나뉜다. 1. 분해공정분해공정에서는열을가하여납사를탄소수가적은탄화수소로분해한다. 액상원료인납사와순환에탄은희석증기 (DS) 와혼합된후, 약800~850 의분해로내에서분해된다. 석유화학산업의모체인납사분해설비에서는탄소개수가두개인에틸렌에서부터, 탄소개수가세개인프로필렌, 네개인 C4 유분등의올레핀류와방향족제품의원료가되는 RPG(Raw Pyrolysis Gasoline) 를생산하여석유화학제품의원료를공급한다. 2. 급랭공정분해공정을거친분해로의출구물질은열교환기 (Transfer Line Exchanger) 를거치면서약400 로급랭되며, 이열교환기출구물질은냉각유에의해약 200 로급랭된후급랭공정의가솔린정류탑으로보내진다. 급랭공정에서는분해된탄화수소끼리서로반응하지못하도록온도를낮춘다. 가솔린정유탑의탑저에서는 - 11 -
타르를포함한열분해연료유 (RFO) 가생성되며, 탑정가스는급랭탑으로보내져 분해가솔린 (RPG) 과경질유분으로분리된다. 3. 압축공정압축공정은분해가스의경제적인분리를위해분해가스를압축하여부피를감소시키는공정이다. 분해가스압축기에의해급랭탑탑정의경질유분은약 36기압까지압축된다. 이과정에서 3, 4단사이에있는가성소다용액세척탑에서산성가스를제거하고, 압축과정에서응축된 1, 2, 3단의탄화수소는가솔린정류탑및급냉탑으로보내지며, 5단출구로부터나온분해가스는프로필렌냉매에의해 1 5 까지냉각되어응축물제거후건조기로투입된다. 4. 냉동공정압축기토출가스는건조기에서수분이제거된후저온회수공정으로들어간다. 수분이제거된기체는프로필렌냉매및에틸렌냉매에의해단계적으로냉각되어응축물이분리되며, 응축물은탈메탄탑으로보내져탑정으로메탄을분리하게되고, 나머지경질유분은탑저로분리된다. 저온회수공정에서분리된수소가스중일부는고순도로정제되어아세틸렌과프로파디엔전환반응기의수소첨가용으로사용되고나머지는 DPG Unit과 C4 수첨 Unit 및연료로사용하게된다. 탈메탄탑탑저생성물인메탄가스는저온회수과정에서가열된후, 연료가스로사용되고일부는액체상태로인출되어저온냉매로서탈메탄탑으로순환된다. 탈메탄탑탑저생성물은압축기출구가스와열교환하여가열되어탈에탄탑으로보내진다. 5. 분리정제공정마지막으로분리정제공정을거쳐생산되는에틸렌과프로필렌은바로유도품생산공정으로가고, C4유분과 RPG는추가로추출 / 정제하는공정을거쳐부타디엔과벤젠, 톨루엔, 자일렌등유용한석유화학기초유분을생산한다. 이중에틸렌과프로필렌, 부타디엔은상온에서기체이기때문에일반인들이실체를보기어렵고, 벤젠, 톨루엔, 자일렌은액체로자동차휘발유에도포함되어있고 신나 라는이름의용제로도사용되어흔하게볼수있다. 이하석유화학최종제품은폴리에틸렌과폴리프로필렌과같이기초유분하나만을가지고중합반응을통해만들어지기도하고, 스티렌모노머와같이기초유분두개 ( 에틸렌과벤젠 ) 를반응시켜만들기도하며, AN이나 PVC처럼다른화학제품과의반응을통해만들기도한다. 이때반응은주로열과촉매 ( 자신은반응에참가하지않으면서반응개시를도와주는화학물질 ) 에의해서진행되는데, 보통반 - 12 -
응온도는 200~300 수준이다. [ 출처 : 석유화학공업협회 ] - 13 -
제 4 장정유 / 석유화학산업을위한 원자력이용기술연구개발의필요성 제 1 절기술의필요성 국가 GDP의 7% 를차지하는석유산업은그경제적규모만큼공정상의문제가초래하는경제적파급효과는지대하다. 일례로 GS칼텍스여수공장에서가동중인제2기 HOU(Heavy Oil Upgrading) 고도화설비의가동중단사고는정유업계만따져도일일 40억의경제적손실을초래한다. 이러한중요기간산업의경우공정상문제가발생시공정을멈추지않고가동중인산업설비에대한진단기술이절실히요구되고있다. 가동중인산업설비에대한진단정보는제품의순도저하요인파악은물론이상현상발생시유지및보수작업의정확한계획수립에활용되므로막대한비용절감효과와제품의경쟁력확보에기여할수있다. 하지만, 석유산업의고밀도설비및고온, 고압의공정상의여러제약에따라그진단기술역시동위원소응용기술이외엔제한적인실정이다. 정유, 석유화학등장치산업이발달된우리산업계에서방사성동위원소응용기술수요는가동중진단기술이필요한현시장에서매우크다. 제 2 절방사성동위원소의산업적응용기술현황 1. 증류탑검사기술 (Column scanning) 기존의 NDT방법으로는검사가불가능한대규모증류탑의구조진단에매우효과적이며검사의재현성또한매우뛰어난기술이다. 밀봉감마선원을이용하여가동중인증류탑을진단할수있는기술로대형증류탑내부상황의시각적인정보를제공할수있는공정진단기술이다. - 14 -
그림 1. Schematic diagram of the column scanning system 2. RTD 측정기술화학공정조작중에는그성공여부가유체의효과적인교반및혼합에의존되는것이많다. 따라서반응기안의유체흐름을분석하기위해체제시간분포 (residence time distribution, RTD) 함수들이많이연구되어왔다. 하지만, 기존의 RTD측정기술은모두공정가동의중단또는제품의품질저하를초래하는방식뿐이였다. 그에반해방사성동위원소를이용한 RTD 측정기술은이러한문제점을해결하면서시스템의 dead volume과반응기모델정수등을구하는데효과적인기술이다. 그림 2. Principle of Residence Time Distribution (RTD) method - 15 -
3. 산업공정영상진단기술방사선을이용한토모그래피방법을적용한진단기술은의료용으로매우발달하였다. 그에반해산업공정진단을위한감마 CT기술은의료용 CT기술의연구개발역사에비하여볼때그시작이매우늦었지만, 상대적으로발전속도는대단히빠른편이다. 산업공정은특수한목적을갖도록설계된단위설비의조합으로이루어지며, 내부매질의상태와유동특성의감시및진단은공정의가동효율과산업재해예방과설비수명의극대화등에대한매우중요한정보를제공하는기술이다. 현재국내에서는산업적용기술개발을목표로기초연구가진행중에있다. 공업분야에서는 X-선을이용한 micro CT 또는소형부품진단을목적으로개발되어활용되고있다. 그림 3. Diagram of Industrial Process diagnosis Gamma Tomography 4. 누설탐사기술방사성동위원소를 이용한 누설 탐사 (leak detection) 기술은 크게 Flow Rate Measurement, Direct Treacer Technique, RTD Measurement등이있으며, 방사 성동위원소의자연감쇄와공정유체와의희석을통해제품의품질에는영향을주 지않으면서누설을탐지할수있는기술이다. - 16 -
그림 4. Schematic diagram of the leak detection 5. 다중상공정유동분석기술석유및정유관련산업에서다중상 (multi-phase flow) 유체의배관내흐름은일반적인현상의하나이다. 그러나일반상업용유량계는일정이상의기포가포함된유체의흐름의경우유량계측에상당한오차를유발한다. 하지만, 상호상관함수 (cross corelation function) 를적용한 γ-ray attenuation 기법은유량내기체의분율과유속을동시에제공함으로써기존의유량측정방식보다더욱정확한측정유량을제공하는기술이다. - 17 -
그림 5. The cross correlation principle of component velocity measurement in a multi-phase flow 이외에도연구가진행되어야할공정기부피측정기술, 공정유체의혼합도측정기술, 유로막힘탐사기술, 공정배관의마모도측정기술, 공정배관의부식측정기술등등다양한동위원소응용기술들이산재해있다. [ 출처 : 방사선의공업적이용기술개발, 한국원자력연구원연구보고서, 2007년 6월 ] - 18 -
제 5 장결론 고유가및중동 중국등의석유관련산업진입이라는악재속에서도국가 GDP 의 7% 를차지하는석유산업은국가의중요기간산업에속한다. 석유산업의경우각공정들은유기적으로연결되어있어, 한공정에서발생한이상현상은전체공정에영향을미치게된다. 이상현상으로인한가동중단시발생하는경제적손실은일일수십억원에달하며그경제적파급효과는그이상에달한다. 이에가동중인산업설비에대한진단기술이절실히요구되고있지만, 석유산업의설비가고밀도재질로이루어진점과공정이고온, 고압에서이루어진다는제약등으로산업설비에대한가동중진단기술이부족한실정이다. 공업분야에이용되는원자력기술의종류는재래의비파괴검사기술이나개봉방사성동위원소이용기술이외에최근각광을받고있는나노기술에이르기까지그방법과종류가다양하다. 석유산업의경우원자력이용기술은가동중진단이라는산업계의요구를충족시킬수있는다양한기술들이연구되었으며, 더많은응용기술에대한연구분야가산재해있다. 하지만, 기술의유용성에도불구하고기술의성격상국가주도의원자력사업이외는연구개발사업이전무한실정이다. 외국의경우산업설비와내부유체에대한진단결과의영상화기술을확보하기위한경쟁적인연구가진행되고있지만, 국내의경우연구그룹이소수에그치고있어기술종속이우려되고있다. - 19 -
참고문헌 1. 정성희, 진준하, 김종범, 김진섭, 김재호, 박순철, 임돈순, 최병종, " 방사선의공 업적이용기술개발, KAERI/RR-2804/2006, 2007.06.29 2. 정성희, " 감마선이용대형산업공정영상진단기술개발, 한국원자력연구원 연구보고서, 2008. 2 3. 김진섭, 정성희, 김종범, 밀봉감마선원 (137Cs) 을이용한석유화학산업의유체이송배관내가동중이상진단기술, Diagnosis of the Liquid Transportation Pipe in the Petroleum Industry using Sealed Gamma-ray Source(137Cs)), ISSN 1225-0112, 한국공업화학회지 (Journal of Korean Ind. Eng. Chem) Vol 16, No. 6, December 2005, pp 794-799 4. 김종범, 정성희, 김진섭, Gamma ray CT application for a process diagnosis, The 9th International Symposium on the Synthesis and Applications of Isotopes and Isotopically Labelled Compounds 5. Geir Anton Johansen, "Radioisotope Gauges for Industrial Process Measurements", Wiley, 2004, pp. 216-223 6. A. Kak and M. Slaney, "Principles of Computerized Tomographic Imaging", Electric Copy. IEEE Press, 1999. 7. 정성희, 김종범, 진준하, 방사성추적자를이용한실린더형 2단혐기성소화조의효율진단 (Radiotracer Study on the Efficiency of a Cylindrical 2-Stage Anaerobic Sludge Digester) Tracer 3 Conference, Chiechocinek, Poland, IAEA, Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsaw University of Technology, Warsawa Univ. of Technology, Laboratore des Sciences 여 genie Chimique 2004/06/23-20 -
서지정보양식 수행기관보고서번호위탁기관보고서번호표준보고서번호 INIS 주제코드 KAERI/AR-808/2008 제목 / 부제 방사성동위원소의산업적응용기술개발을위한국내정유및석유화학산업의기술현황분석보고서 연구책임자및부서명 (AR,TR 등의경우주저자 ) 연구자및부서명 정성희 ( 동위원소이용기술개발부 ) 김종범, 이나영, 권택용 ( 동위원소이용기술개발부 ) 출판지대전발행기관한국원자력연구원발행년 2008 년 9 월 페이지 20p. 도표 있음 ( ), 없음 ( ) 크기 A4 참고사항 공개여부공개 ( ), 비공개 ( ) 비밀여부대외비 ( ), 급비밀연구위탁기관초록 (15-20줄내외) 보고서종류 계약번호 기술현황분석보고서 석유는전세계적에너지사용량의 35.0%, 국내의경우 43% 를차지하는대표적에너지원이며, 석유화학산업은납사를원료로약 120배에달하는부가가치를창출하는성장성이높은고부가가치산업이다. 그러나미래첨단산업발전에견인차역할을수행하는정유및석유화학관련산업에서공정중에발생되는공정상의문제점을진단하는기술은앞으로더연구되어야할과제이다. 가동중인산업설비에대한진단정보는제품의순도저하요인파악은물론이상현상발생시유지및보수작업의정확한계획수립에활용되므로막대한비용절감효과와제품의경쟁력확보에기여할수있다. 하지만, 석유산업의고밀도설비및고온, 고압의공정상의여러제약에따라그진단기술역시제한적인것이현실이다. 석유산업의경우원자력이용기술은가동중진단이라는산업계의요구를충족시킬수있는다양한기술들이연구되었으며, 더많은응용기술에대한연구분야가산재해있다. 하지만, 기술의유용성에도불구하고동위원소이용산업진단기술에대한발전된연구개발수행을위해서는국가차원의전략적인지원이필요한실정이다. 외국의경우산업설비와내부유체에대한진단결과의영상화기술을확보하기위한경쟁적인연구가진행되고있지만, 국내의경우연구그룹이소수에그치고있어기술종속이우려되고있다. 현재국내의한국원자력연구원은방사성동위원소의응용기술을산업분야에적용하기위한연구개발을통하여국가주도산업의경쟁력을확보하기위한연구를수행중이며, 보다활발한연구들이이루어져기술독립성을확보할필요성이요구된다. 주제명키워드 (10단어내외) 정유, 석유화학, 방사성동위원소, 방사성추적자, 공정중진단기술
Performing Org. Report No. KAERI/AR-808/2008 Title / Subtitle Project Manager and Department (or Main Author) Researcher and Department Publication Place BIBLIOGRAPHIC Deajeon Sponsoring Org. Report No. INFORMATION SHEET Stamdard Report No. INIS Subject Code Technical Reviews on the Petroleum Refining Industry and the Publisher Petrochemical Industry for the Development of Industrial Application of Radioisotope. Sung-Hee Jung (Radioisotope Research Division) Jong-Bum Kim, Na-Young Lee, Taek-Yong Kwon (Radioisotope Research Division) Korea Atomic Energy Research Institute Publication Date 2008. 9 Page 20p. Ill. & Tab. Yes( ), No ( ) Size A4 Note Open Open( ), Closed( ) Classified Sponsoring Org. Restricted( ), Class Document Report Type Contract No. Abstract (15-20 Lines) Petroleum is the major energy source that supplies 35% of the total power all over the world. And the petrochemical industry generates a 120 times higher value from naphtha, and in cooperates new technology in order to keep its business prosperous. These large plant industries require in-service diagnosis technology for an optimal and efficient operation and maintenance. Since diagnosis information obtained from an on-line plant can be used for a correct operation and maintenance workplan in the case of a deteriorated product quality as well as a mechanical abnormality, this technology can contribute to a huge cost benefit and a product competitiveness. The gigantic plants equipped with heavy materials can hardly be evaluated with conventional techniques due to their harsh environment of a high temperature and a pressure. Radiation and radioisotope application technology has been studied to meet the demand of the industry, but has yet to be developed further. In spite of its usefulness, the strategic support is not enough to carry out the research activities on advanced industrial testing technology using radioisotopes. It is of importance to secure a national competitiveness by intensifying the support for the newly emerging technologies such as an industrial gamma tomography and a process visualization and validation incorporated with a CFD. Subject Keywords Petroleum refining, Petrochemical industry, Radioisotope, Radiotracer, (About 10 words) Diagnosis technology during the process