1. 개요
정유(精油)는 석유를 정제하거나 석유화학 제품을 만드는 산업을 말한다.2. 특징
국가적인 기간산업이다. 석유는 에너지원, 산업 원자재로 중요하기 때문에 확보를 위해 전쟁이나 무역분쟁도 종종 일어났다. 원유 산업 역시 중요하지만 정유 산업으로 부가가치를 창출할 수 있으므로 국가 성장 원동력으로도 중요하다. 예를 들어, 공장 하나의 고도화설비 가동이 사고로 중단된다면 하루 40억원 이상의 손해가 발생할 수 있다.또한 완전히 자동화되어 있는 전형적인 장치산업(裝置産業)이다.
정유사는 정제마진이 높을수록 이익이 늘어난다. 정제마진은 원유 도입가격, 정제설비 등에 의해 결정된다. 2018년 중순 국내 정유업체 정제마진 손익분기점은 4~5달러 수준이다. 원유 도입가격이 정제마진에 중요하기 때문에 유가 예측을 잘 해야 한다. 정유사가 원유를 수입해 제품을 만들어 판매할 때까지 통상 1~2개월이 걸리는데, 그 사이에 유가가 오르면 재고평가이익이 늘고 유가가 내리면 정유사의 손실로 돌아간다. 경쟁 정유업체들이 설비 보수에 나서거나 가동률이 떨어지면 공급이 줄어들면서 정제마진이 상승한다. 반면 석유 수입국이 통화가치 약세를 보이면 수입 수요가 둔화되면서 정제마진이 하락한다.
3. 주요 산업
3.1. 원유 생산
Upstream으로 흔히 불린다. 석유 매장장소의 탐사와 굴착 등 원유를 생산하는 공정을 담당한다. 흔히 말하는 슈퍼메이저 정유회사나 중동 · 러시아 · 중국 등의 국영기업들이 대부분의 지분을 차지하고 있는 분야이다. 공정 기술이 표준화되어 인프라를 갖추기 어렵지 않은데 비해 상품가치는 일정 수준 이상을 유지하고 있기 때문에 석유 산업 대부분의 마진과 부가가치가 이쪽에서 발생한다.이 분야를 취직하는데 가장 유리한 전공은 한국에 존재하지 않는[1] 석유공학 (Petroleum Engineering) 전공인데, 이쪽 테크를 타는 업스트림 분야는 미국에선 금융권 / 소프트웨어를 넘어 초봉이 가장 높은 신의 직장 중 하나로 취급되며, 다른 두 개와 달리 업계에 종사하면서 안정성 측면에서도 촉망받는 직업으로 선정되고 있다. 엑슨모빌 같은 석유 대기업에 취업하는 것은 거대한 수익과 커리어를 보장한다.
이 부문을 건들고 있는 한국 기업은 한국석유공사와 SK이노베이션이 대표적이며, 각각 20여 개 내외의 광구를 소유하거나 관여하고 있다.
3.2. 원유 정제 (정유)
Downstream이라 불리는 부문. 원유에 물리적·화학적인 처리를 하여 여러 가지 석유제품을 만드는 각각의 작업공정, 또는 이것들을 조합한 일련의 공정을 이용한 산업. 가장 기본이 되는 중요한 과정은 topping이다. topping은 원유를 증류 (Distillation)하여 가솔린과 나프타 등 각 유분대로 분리하는 작업이다. 석유 정제에서 중요한 과정은 단순 증류탑과 고도화설비다.한국은 비산유국이라는 태생적인 문제로 정유사업의 90퍼센트 이상이 다운스트림 산업을 이룬다.
3.2.1. 고도화설비
고도화정제, HOU (Heavy Oil Upgrading; 중질유 재처리)1차 정제 과정을 거치면 반 이상이 중질유로 만들어진다. 휘발유, 경유 등의 경질유는 고부가가치 제품이다. 하지만 벙커C유 등의 중질유는 그 자체로는 부가가치가 높지 않다. 따라서 기술수준이 발전한 업체들은 이 중질유를 다시 정제하여 경질유로 만들어내는 설비를 많이 보유하고 있다. 고도화설비가 많을수록 고부가가치 제품인 경질유를 많이 생산할 수 있으므로 생산 수율이 향상된다고 말할 수 있다. 또 고도화설비가 많으면 굳이 원유를 많이 도입할 필요없이 값싼 벙커C유를 사오면 되기 때문에 수익성이 높아진다.
3.3. 석유화학산업
천연가스, 석유정제를 해서 나온 납사를 원료로 하여 합성화학공업을 하거나 기초유분을 만드는 것을 석유화학산업이라 한다. 자세한 내용은 해당 문서 참조바람.석유화학공업에서 다루는 기초유분으로는 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, BTX 등이 있다. 합성화학공업의 결과물로는 합성고무, 합성수지(플라스틱), 합성섬유 (폴리에스테르, 나일론), 각종 정밀화학제품 등이 있다.
4. 채용
대졸의 경우 정유 4사를 합쳐 1년에 100~130명을 채용한다. 그 중 문과는 연간 5~10명이다.해외취업이 쉽다. 6년 이상 경력이 있는 기술자들은 쿠웨이트의 KOC, KNPC나 사우디 아람코 등 아랍계 국영 정유사에서 스카웃하고 있다. 6년차 기준 연봉 8천만원 (2015) 정도고 한국에서는 쿠웨이트 연 20여명 안팎, 사우디 연 30~40여명이 스카웃되는 것으로 추정된다.
생산직[2]의 경우 초봉이 세전 7천만원 정도에 퇴직 근처에는 세전 2억 후반 가량[3] 받는다. 전문대졸의 경우 4년차에 1억, 10년차에는 1억3~5천만원을 상회한다.
관련 직무로는 생산관리(직무), 생산지원(기계, 전기), 경영지원(인사, 총무) 등이 있다.
정유사는 규모가 워낙 크기 때문에 조금만 잘못되어도 큰 손실이 발생할 수 있어 새로운 공정의 도입을 보수적으로 진행한다. 특히 국내 정유사에서는 자체적으로 기술을 개발하기보다는 해외 공정 개발사에서 라이센스를 사와서 진행하는 경우가 많다. 따라서 국내 정유사 연구소에서도 새로운 연구개발을 담당한다기보다는 주로 신뢰성 검사를 한다. 이 때문에 국내에서는 석사 정도면 할 수 있는 일이 대부분이고 꼭 박사를 따야만 할 수 있는 일은 그리 많지 않은 편이다. 그래서 연구원이 '석유화학 회사'에서 '정유사'로 이직할 수는 있어도 그 역은 쉽지 않으며, 다른 업계에서 석사+6년 경력자 포지션에 박사가 지원할 수 있는 게 보통이지만 국내 정유사에서는 석사+6년 경력자가 박사보다 우선한다.
4.1. 화학공학
정유사 특성상 화학공학과가 중심이 된다. 상압 증류탑 (Distillation Column)이 단순정제 설비의 기본이 된다. 따라서 분리공정 지식이 요구된다. 분리공정을 이해하기 위해 화공 공정열역학에 대해 알아야 한다. 반응공학 중에서는 관형 반응기 중에서도 고정층 반응기 (Fixed-Bed Reactor), 유동층 반응기 (Fluidized-Bed Reactor)에 대한 지식이 요구된다. 이는 화공기사를 넘어서는 수준이다.[4] 촉매에 대해 알아야 한다. 공정제어를 위해 PID 제어기에 대해 알고 와야 한다. 이를 위해서는 미분방정식과 라플라스 변환에 대해 알고 와야 한다. 또 열전달 과목을 통해 열교환기에 대해 배우고 와야 한다. 그 외에도 화공양론 (열/물질 수지 계산), 화공유체역학 (Darcy 방정식 등), 등의 지식이 크게 요구된다.그리고 공정의 개선점을 찾기 위해 공정 시뮬레이션 프로그램 (Hysys, Aspen plus, Pro-II 등)이 필수적이다. 단순히 잠깐 맛본 정도로는 부족하다. 반응공학, 공정제어, 분리공정에 대한 이론적 지식 없이 이런 시뮬레이션 프로그램을 잘 쓰는 것은 불가능하다.
연구원의 경우 아래와 같은 지식이 필요하다. 한편, 석유계 중질유분 반응 공정이나 폴리머 중합 등의 경우 처음에는 연구실 수준에서 실험해서 성능을 평가하지만 장래에는 Scale-up을 통해 실제 산업에 적용하는 게 목표가 된다.
| 공정설계 분야 |
- 석유계 중질유분 반응: 반응공학, 화학 공정 지식이 필요하다. 화학 반응 속도론과 상 거동 예측 열역학 이론을 알아야 한다. 중질유분 반응 공정에는 수첨공정, 촉매분해공정 [5] 등이 있다.
- 전산유체역학(CFD)/공정해석/장치설계: 전산유체역학, 전산구조해석(CAE), 유체역학/전달현상, 유변학 등에 대해 알아야 한다. 공정 분석과 시뮬레이션, 화학 반응 속도론 등에 대한 지식이 필요하다.
- 분리공정: 공정 모사 소프트웨어[6]를 사용할 수 있어야 한다. 고급 증류 기술[7]에 대해 알아야 한다.
| 유기화학 분야 |
- 고분자 중합
- 화학물질 구조 설계: Polymer Backbone을 설계하고 첨가물을 선정한다.
| 금속부식 (Corrosion) |
5. 석유 유출
6. 정유 공정
원유는 전처리를 거친 다음 상압증류공정을 통해 증류한다. 전처리의 예로는 탈염장치를 통해 염분을 빼는 것이 있다.[10] 정유공정의 결과물을 다루는 산업은 석유화학 문서 참조바람.[11]6.1. 상압증류공정
Crude Distillation Unit (CDU)정유 공정 중 가장 중요한 공정이다. 정유산업의 생산량을 측정하는 기본단위의 기준으로 잡을 정도로 이 공정이 중요하다.
원리는 증류를 이용한다. 원유를 가열하여 증발시킨 뒤 냉각되어 응축되는 등의 물리적 변화과정을 이용하여 일정한 범위의 끓는점을 지닌 석유 유분이 분리된다. 증류를 통해 1차 정제 과정을 거치면 프로판, 부탄, 휘발유, 경유, 등유, 나프타(납사), 벙커C유 등이 생산된다.
- Merox Unit (메록스 공정): 상압증류공정을 거친 경질유에 포함된 황화 수소, 머캅탄 성분을 제거하는 공정이다. 머캅탄은 악취가 심한 물질인데 이것은 제거하기도 하고 이황화물 (disulfide)로 전환하여 악취를 줄이는 데서 그치기도 한다.
6.1.1. 상압잔사유의 활용
- 감압 잔사유 탈황공정 (VRDS, Vacuum Residue Desulfurization Unit)에 같이 원료로 활용한다. 하단 참조.
- 중질유 탈황공정 (RHDS, Residue Hydro-Desulfurization Unit): 고유황 상압잔사유(H/S Atmospheric Residue)를 고온․고압하에서 수소를 첨가 탈황하여 유동상 촉매 분해공정의 원료가 되는 저유황 연료유(L/S Fuel Oil)와 경유 등을 생산하는 공정이다.
- 중질유 유동상 촉매 분해공정 (RFCC, Residue Fluid Catalytic Cracking Unit): 고도화공정의 핵심적인 요소. 원료로는 저유황 상압잔사유, 저유황 연료유[12]를 쓴다. 유동상 촉매분해를 통해 휘발유 원료 등을 생산하는 공정이다. 위성공정으로는 MTBE, 알킬화, PRU가 있다.
- MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether) 공정: MTBE는 옥탄가가 높고 산소를 함유하고 있는 유분이다. RFCC에서 생성되는 C4 유분 중 이소부틸렌을 메탄올과 반응시켜 MTBE를 생성하는 공정이다.
- 알킬화 (Alkylation) 공정: MTBE 공정에서 생성되는 C4 Raffinate 중 부틸렌을 이소부탄과 반응시켜 알킬레이트를 생산하는 공정이다. Alkylate는 옥탄가가 높은 고청정 휘발유 배합유분이다.
- 프로필렌 회수 공정 (PRU, Propylene Recovery Unit): RFCC에서 생성되는 Gas stream 중 프로필렌을 회수하는 공정이다.
6.2. 감압증류공정
VDU, Vacuum Distillation Unit상압증류탑을 거치고 나면 경질유나 가스처럼 끓는점이 낮은 물질들이 분리되고 끓는점이 높은 물질들이 남는다. 이 남은 것을 상압잔사유 (AR)[13]라고 한다. 상압잔사유를 감압증류(Vacuum Distillation)하여 감압경질유분 (VGO)[14]과 감압잔사유 (VR)[15]로 분리하는 것이 이 공정이다.
- 감압경질유분 VGO: 중질유 수첨분해공정의 원료로 사용된다.
- 감압잔사유 VR: 중질유 수첨탈황공정, 아스팔트산화공정의 원료로 사용된다.
끓는점이 높은 유분을 고온에서 증류하면 열분해가 발생한다. 열분해가 발생하면 품질과 수율이 저하되고, 가열관 내 코크스가 생성되어 부착되면서 가열관이 손상된다. 따라서 열분해를 막을 필요가 있다. 물리적 원리에 따르면 액체에 가해지는 압력이 줄어들면 끓는점이 낮아진다. 따라서 증류탑의 압력을 낮추면 유분의 끓는점이 낮아진다. 이런 상태에서 증류시키는 감압증류 공정에서는 열분해를 막을 수 있다. 진공에 가까운 상태로 만들기 위해 Ejector 설비를 이용한다.
감압증류를 거친 감압경질유분, 감압잔사유 등은 RFCC와 Hydrocracking과 같은 고도화공정에 사용할 수 있다. 특히 이 둘은 정유산업의 생산량을 측정하는 3가지 요소 중 하나로 잡을 정도로 중요하다.
6.2.1. 감압잔사유의 활용
- 아스팔트 산화공정 (AOU, Asphalt Oxidizing Unit): 감압잔사유를 압축공기로 산화, 중합시켜 아스팔트 제품을 생산하는 공정이다.
- 감압잔사유 탈황공정 (VRDS, Vacuum Residue Hydro-Desulfurization Unit): 감압잔사유 및 상압잔사유를 원료로 촉매 존재 하에 수소를 첨가시켜 탈황시킨다. 이러면 저유황 연료유를 생산할 수 있다. 이는 초 저유황 B-C (유황함량 0.5 wt% 이하), 경유를 생산하는 데 이용되는 물질이다.
6.2.2. 감압경질유분의 활용
- 중질유 수첨분해공정: 감압경질유분 (VGO)를 촉매 존재 하에 수소를 첨가하여 분해 및 탈황시키는 공정이다. 미국 하니웰 UOP사에서는 이 공정을 Unicracking Unit (UC)라는 이름으로 팔고 있다. 전환된 물질은 초저유황 등ㆍ경유등의 경질석유제품으로 전환된다. 미전환유[16]는 정유사 내에서 윤활기유(LBO) 제조 원료로 사용한다.
6.3. 황 회수 공정
SRU, Sulfur Recovery Unit황 회수 공정은 중질유 분해, 탈황공정에서 생성된 황화 수소 가스로부터 용융황[17]을 회수하는 공정이다. 촉매 존재 하에 황화수소 가스를 산소와 반응시키는 Claus 반응을 사용해 99.9%의 순도를 지닌 용융황이 회수된다.
6.4. 접촉 개질 공정
Platforming Unit저옥탄가의 나프타를 백금계 촉매하에서 수소를 첨가, 반응시킴으로써 휘발유의 주성분인 고옥탄가의 접촉개질유(Reformate)를 생산하는 공정이다. 접촉개질유에는 방향족화합물이 다량 함유되어 있으므로 벤젠, 톨루엔, 자일렌을 생산하기 위한 방향족 추출공정의 기본원료로도 사용된다.
Reforming은 옥탄가가 낮은 경질유분의 탄화수소 구조를 바꾸어 옥탄가가 높은 유분으로 변화시키는 방법이다. 접촉개질공정은 대표적인 리포밍의 방식 중 하나이다.
- 벤젠 회수 시설 (Benzene Recovery Unit): 접촉개질유를 촉매 존재 하에 분리/추출해 벤젠을 회수하는 공정이다. 저벤젠 휘발유 제조에 쓰인다.
6.5. 가스회수공정
GCU, Gas Concentration Unit상압증류공정을 하면 상압증류탑 탑정에서 가스가 나온다. 납사의 접촉개질공정(Platforming Unit), 탈황공정 등에서도 가스가 회수된다. 이 가스들은 프로판과 부탄의 비율이 높다. 이로부터 90∼95 % 이상의 순수한 프로판과 부탄을 분리 회수하는 공정이다.
그 외에도 소량의 불활성가스, 메탄, 에탄 등이 생산된다. 이 가스들은 상업화가 어렵다. 따라서 정유공정의 가열로로 보내서 연료로 태워버린다.
6.6. 수첨탈황공정
Hydrodesulfurization Unit상압증류공정에서 생성된 조나프타(Raw Naphtha), 조등유(Raw Kerosene)경질가스유(LGO) 등을 촉매하에서 수소를 첨가, 반응시킴으로써 유황분을 비롯한 질소 및 금속 유기화합물 등 각종 불순물을 제거하고 품질을 개선시키는 공정이다.
조나프타를 처리하여 용제를 생산함과 동시에 접촉개질공정의 원료유를 제조하는 나프타 수첨탈황공정(Unifining Unit), 조등유 또는 경질 가스유를 처리하여 등유, 항공유, 경유등을 생산하기 위한 등/경유 수첨탈황공정 (MDU)[18]이 있다.
6.7. 수소제조공정
HP, Hydrogen Plant경질나프타 또는 부탄을 촉매 존재하에 수증기와 접촉반응(Steam Reforming)시켜 약 70 % 순도의 수소를 제조하고 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 거쳐 불순물을 제거하여 순도 99.9 % 이상의 수소를 제조하는 공정이다. 생산된 수소는 중질유 수첨분해공정, 중질유 수첨탈황공정, 중질유 탈황공정, 중질유 유동상촉매 분해공정 및 윤활기유 제조시설 등에 공급된다.
7. 주요 정유사
7.1. 국내
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7.2. 해외
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- 아랍에미리트
- 아부다비 국영석유회사
- 쿠웨이트
- 쿠웨이트 국영석유회사
- 인도
- 인디안 오일(Indian Oil)
- 석유 및 천연가스 공사(ONGC)
- 힌두스탄 페트롤리움(Hindustan Petroleum)
- 첸나이 페트롤리움(Chennai Petroleum)
- 바라트 페트롤리움(Bharat Petroleum)
- 릴라이언스 인더스트리스(Reliance Industries)
- 나야라 에너지(Nayara Energy)
- 러시아
- 오스트리아
- OMV
8. 같이보기
[1] 미국에서도 석유 관련 전공은 부유한 산유주인 텍사스의 명문 대학교에 주로 자리 잡고 있다.[2] 고졸~전문대졸만 지원가능[3] 2022 초 기준, 교대근무, 복리후생비 포함[4] 화공기사에 나오는 CSTR이나 Batch 종류는 정유사에서는 중요하지 않다.[5] Hydro-processing, Catalytic Cracking[6] SK이노베이션의 경우 Aspen Plus, gPROMS 등[7] 공비증류, 추출증류, 반응증류[8] SEM, XRD, EBSD[9] GC/LC/IC/ICP 등. 크로마토그래피 문서 참조.[10] 출처[11] 공정 내용에 대한 출처: 방사성 동위원소의 산업적 응용기술 개발을 위한 국내 정유 및 석유화학 산업의 기술현황 분석 보고서, 2008[12] 중질유 탈황공정에서 생성된 것.[13] Atmospheric Residue[14] Vacuum Gas Oil[15] Vacuum Residue[16] Unconverted Oil. 전환되지 않은 Oil을 말함.[17] Molten Sulfur[18] Middle Distillate Hydrodesulfurization Unit[19] 한화토탈에서도 정유사에서 만드는 휘발유, 등유, 경유 등의 석유 제품을 만들긴 한다. 하지만 유정에서 생산되는 원유(Crude Oil)을 원료로 투입해 이러한 석유제품을 만드는 것이 아니라, 가스정에서 생산되는 콘덴세이트(Condensate)라는 원유보다 훨씬 밀도가 작고 납사 비중이 높은 원료로만 등유, 경유 같은 석유제품을 만들고 있다. 실제 2014년 삼성토탈 시절, 제5의 정유사로 석유협회에 가입 여부로 잠시 논란이 있었으나, 원유를 정제해 석유제품을 생산하는 상압증류시설(CDU)를 가지고 있지 않다는 근거로 석유협회 가입 요건을 충족하지 못해 가입이 성사되지 못했다. 정리하면 정유사에서 만드는 석유제품을 똑같이 만들어 팔긴 하지만, 석유협회 기준을 충족하지 못해 공식적으로 정유사로 분류되지는 못한 경우이다.