신공정소개

기술개발 배경1) 방향족제품시장현황

최근중국을중심으로한개발도상국의경제성장과

더불어Benzene과Xylene을중심으로방향족제품에

대한 수요가 공급을 초과하고 있고, 특히 para-

Xylene에 대한 수요와 공급간의 불균형이 눈에 띄게

증가하고있다[그림1].

한편, 기존 방향족 제품은 주로 Naphtha를 원료로

에틸렌제조공정및접촉개질공정(Reformer)을통

해 제조되는데[그림 2], 원료 Naphtha의 공급이 부

족해짐에 따라 방향족 제품 증산을 위한 설비의 신증

설이용이하지않은상황이다.

따라서, 기존의 Naphtha를 원료로 방향족 제품을

제조하는 방법에서 탈피하여 Naphtha 외에 새로운

저가 원료로부터 공급이 부족한 Xylene 만을 추가적

으로 제조하기 위한 새로운 기술 개발의 필요성이 높

아지고있다.

494 … NICE, 제25권 제5호, 2007

FCC 유분으로부터Xylene 제조기술

박 상 훈

SK에너지(주), shp0429@skenergy.com

Aromatics Demand/Supply (2005) Global Growth (1998~2005)

SupplySupply

DemandDemand

Benzene Toluene Xylene

Mill

ion

tons

Mill

ion

tons

40353025201510

50

9876543210

Benzene PX

그림 1. 방향족 제품 수급 현황.

Ethylene

Gasoline

Toluene

Gasoline

Reformate

Naphtha

Naphtha

Pygas

Mixed xylenes

Benzene

para-xylene

TDP

HDABTX

EXTRACTION

REFORMER

CRUDE OIL

STEAMCRACKER

Adsorption

REFINERY

그림 2. 일반적인 방향족 제품 제조 Route.

2) FCC HCN의특성및활용현황

유동층 접촉 분해 공정(FCC)은 중질유 분해를 통

한 휘발유 생산을 목적으로 정유 공장에서 가장 일반

적으로 도입하는 설비이며, FCC에서 생산되는 주요

제품및용도는[그림3]과같다.

LCN(Light Cracked Naphtha)은 비점범위가

35~170℃로 주로 휘발유 배합용으로 사용되며, 유분

내 BTX가 일부 포함되어 있으나 Non-Aromatic 함

량이 높아 방향족 제품 제조에는 비효율적이다.

LCO(Light Cycle Oil)의 경우, 주로 2-Ring 이상의

Heavy Aromatic으로 구성되어 있고 유분 내 황 및

질소 성분과 같은 촉매 피독 성분들이 다량 존재하여

방향족제품제조에어려움이있다.

반면 HCN(Heavy Cracked

Naphtha)은 1-Ring Heavy

Aromatic(C9~C12) 성분의 함

량이 65% 이상으로 LCN 대비

높고, 황 및 질소 함량이 200~

400 wtppm 수준으로 LCO 대비

낮아방향족 제품제조를위한새

로운 원료로의 가능성이 높은 유

분이다. 경유 제품에 대한 환경규

제강화에따라향후HCN을경유

유분으로계속사용하기위해서는

탈황 및 탈방향족처리가 필수적이며, 이에 따른 대규

모수소소모량은HCN에대한용도전환필요성을배

가시키고있다.

ACNU 촉매 공정 기술SK에서는 상기의 Needs를 반 하여 ACNU

(Advanced Cracked Naphtha Upgrading) 기술을

개발하 으며, 이는 기존 기술과 다르게 Naphtha를

원료로 하지 않고 Heavy Aromatic(C9+ 1-Ring)을

다량 함유하고 있는 FCC HCN을 원료로 방향족 제

품을제조할수있는세계최초의기술이다.

ACNU 기술의 핵심 개념은 FCC HCN에 존재하

는C9~C12 방향족 성분은측쇄를 제거하여 BTX로

FCC 유분으로부터 Xylene 제조 기술

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 25, No. 5, 2007 … 495

De-ethylation OlefinSaturation

OlefinSaturation

Transalkylation

Hydrocracking

tri-methylbenzene

Xylene

Propylene Butylene

Propane

EthaneEthylene

Butane

C2H4 C2H6

C4H103 C3H6

3 C3H8

C4H8

H2

H2

+

+

+

+

2

그림 4. ACNU 공정기술의 주요 반응.

(FCC Product( 활용 현황

( 프로필렌( 합성수지(PP) 원료

( MTBE( 휘발유용 함산소 유분

( Alkylate( 휘발유용 고옥탄 유분

( LCN( 휘발유용 주요 배합재

( HCN( 경유용 배합재

( LCO( 중질유용 배합재

( SLO( 중질유용 배합재

그림 3. FCC공정 및 생산제품의 용도.

전환하고, 비 방향족 성분은 수소화 분해하여 LPG

(Liquefied Petroleum Gas)로전환하는것으로아래

의촉매반응메카니즘으로구성된다[그림4].

Aromatic Ring으로부터 Ethyl, Propyl 및

Heavy Alkyl Group을제거(Dealkylation)

Methyl Group의 타 벤젠 Ring으로의 이동

(Transalkylation)

파라핀 및 나프텐은 수소화 분해되어 LPG로 전

환(Hydrocracking)

올레핀중간체는 수소화, Aromatic Ring은 수소

화없이보존(Selective Hydrogenation)

상기반응들을최적으로구현하기위해이원기능촉

매(Bi-functional Catalyst)의 개념을 도입하 다. 이

원기능촉매란 고체산과 금속의 서로 다른 작용을 하

는 두가지 촉매물질을 하나로 혼합하여 만든 촉매를

뜻하는데 고체산은 Dealkylation 반응과

Transalkylation 반응, Cracking 반응 등을 유발하며,

금속은Dealkylation 반응과Cracking 반응을통해생

성된올레핀들을수소화(Hydrogenation)시켜파라핀

으로 안정화하는 작용을 한다. 그리고 촉매의 수소화

기능이 지나치게 강하면 올레핀 중간체 뿐만 아니라

방향족제품까지수소화시켜나프텐으로전환하는제

품 손실 반응이 일어나게 되는데, 이것을 막기 위해

금속활성을최적으로조절한선택적수소화(Selective

Hydrogenation)를개발하여촉매에도입하 다.

한편, 위의 BTX 전환촉매의성능및수명을유지

하기 위해 FCC HCN 내에 존재하는 촉매 피독성분

인 황 및 질소 성분을 1wtppm 이하로 제거하고, 이

과정에서 수소화에 의한 Aromatic 손실을 최소화 하

는것이또하나의핵심기술이다.

ACNU 기술은 [그림 5]와 같이 FCC HCN을

BTX 및 LPG로 전환하는 “Aromatics 제조 공정”을

중심으로원료중의촉매피독성분인황및질소성분

을1wtppm 이하로제거하기위한전처리 “초심도탈

황/탈질 공정”과 제품 분리를 위한 분리공정으로 구

성된다.

초심도 탈황/탈질 공정은 수소화에 의한 Aromatic

손실을5% 이하로보존하면서황및질소를1wtppm

이하로제거할수있도록수첨탈황촉매및공정조건

을 최적화하 다. 수첨탈황 기술만으로는 질소 제거

성능이불충분한FCC HCN에대해서는수첨탈황후

흡착에 의해 질소 성분만을 선택적으로 추가 제거할

수있다.

Aromatic 제조공정은 초심도 탈황/탈질 공정에서

처리된 HCN을 BTX 및 LPG로 전환하는 공정으로,

촉매 수명을 1년 이상 유지하면서 75% 이상의 C9+

Heavy Aromatics를 BTX로 전환할 수 있고, 92%

이상의 비 방향족 성분을 LPG로 전환할 수 있다. 당

사의 독자적인 Zeolite 및 이원기능 촉매 기반기술과

공정기술을토대로하고있다.

분리공정은 생성된 BTX 제품을 분리하는 공정으

로여기서분리된BT Mixture 및 C9+ Aromatics은

Xylene생산을 극대화하기 위해 당사가 기개발하여

상업화한 ATA(Advanced Trans-Alkylation) 공정

의원료로사용된다.

신공정소개

496 … NICE, 제25권 제5호, 2007

H2

H2Off Gas

Off Gas

FCC HCN

C3, C4Mixture

BT Mixture

Xylene

C9 + Aro.

FRAC.Aromatics

제조,초심도 탈황,/탈질 공정,

그림 5. ACNU 기술의 공정 구성.

한편, ACNU 기술은 각 단위 공정의 장점을 극대

화하여 최적화된 공정 Scheme으로 구성되어 있다.

일예로, Aromatic 제조공정에서발생하는발열반응

의 열회수를 최적화하기 위해 공정간 Heat

Integration을도입하 으며, Start-Up 용이성을확보

하고 투자비의 최소화를 위해 분리공정 조건을 최적

화 하 다. 아울러, 부산물의 가치 극대화를 위해

Purge Gas내 Hydrogen 및 LPG를 회수할 수 있도

록하 다.

경쟁력 분석당사에서 개발한 ACNU 기술은 ① Naphtha 대비

저가이며 처리 곤란한 FCC 공정 반제품을 활용하므

로원료측면에서경쟁력확보가가능하며, ②Heavy

Aromatic의 조성상 Xylene 생산에 적합하고, ③ 반

제품인 C5+ Non-Aromatic이 적은 대신 제품화가

가능한LPG가생산되므로경제성개선효과가큰장

점이 있다. 아울러, 흡열반응인 접촉개질 기술

(Reformer) 대비 Aromatic 제조 공정은 발열반응이

므로Utility 사용량저감및CO2 발생량감소에의한

환경오염 개선의 효과가 있으며, 공정 구성의 단순화

로기존접촉개질공정대비투자비도작은장점을가

지고있다[표1].

기대효과최근 Xylene의 수요는 지속적으로 증가하는 반면

이를 생산하기 위한 원료 Naphtha는 부족하여 세계

적으로 Naphtha 외 새로운 원료를 확보하는 것은 공

통의관심사이다.

SK에서 세계 최초로 개발한 ACNU(Advanced

Cracked Naphtha Upgrading)기술은 상기의 시장

현황 및 아태지역의 Business Needs에 더하여 그 동

안 SK의 지속적인 연구개발을 통해 확보한 촉매/공

정기술역량이결합하여맺은결실이다.

향후 사내 적용을 통한 이익 개선뿐만 아니라 세계

적으로 관련 사업 진출 및 Process Licensing이 가능

할것으로판단되며, 이는국가석유화학산업의위상

및경쟁력을높이는데기여할것이다.

FCC 유분으로부터 Xylene 제조 기술

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 25, No. 5, 2007 … 497

원료 Naphtha FCC HCN

탈황 공정 초심도 탈황/탈질 공정

공정 구성Reforming 공정 Aromatic 제조 공정BT 추출 공정 BTX 분리 공정BTX 분리 공정

원료 처리량(BPSD) 30,000 30,000

LPG 9.0 54.0주요 제품 C5+ Non-Aromatic 15.0 6.9(만톤/년) BTX 61.0 50.7

Heavy Aromatic 22.0 25.8

투자비 Base Base의 약 60% 수준

표 1. ACNU 기술의 경쟁력 분석

구분 접촉개질 기술 ACNU 기술