탄소와 기름은 뗄 수 없는 관계다. 일상에서 사용하는 대부분의 탄소성분이 매립된 자원(석유 및 석탄)으로부터 오기 때문.
이 포스팅은 원유를 정제할 때 사용되는 기술인 유동 접촉 분해에 대한 정리이다.
유동 접촉 분해(FCC: Fluid Catalytic Cracking)란?
FCC는 고체산 촉매를 이용하여 상압 잔사유(AR)나 감압 경유(VGO) 또는 이들의 수소화 처리유(DSAR, DSVGO) 등 중질 유분으로부터 가솔린과 같은 저비점, 고부가의 탄화수소를 생산하는 반응장치다.
기존에는 원유를 증류탑으로만 분리했었지만, FCC 장치 및 고체산 촉매의 개량으로 인해 중질인 원료유를 분해하고 보다 고부가가치인 유분(가솔린 등)을 제조하는 것이 가능해졌다.
○ FCC 프로세스는 두 단계로 나뉜다.
- 1차 반응: 고분자 탄화수소의 C-C 결합을 절단하는 접촉분해 반응
- 2차 반응: 분해생성물의 재분해, 수소이행, 이성화, 환화, 중합 등의 반응
FCC 프로세스에서는 수소 이행 반응이나 탈수소 반응을 억제하면서 접촉분해 반응을 촉진시키는 것이 핵심이다.
FCC 촉매의 종류
현재는, Y형 제올라이트를 수열 처리하여 얻어지는 높은 내수열성을 가지는 초안정화 Y형 제올라이트(USY) 또는 희토류 금속(RE)을 부여한 초안정화 Y형 제올라이트(REUSY)가 주로 이용되고 있다.
희토류 금속은 알루미늄의 탈리를 억제하는 기능과 제올라이트의 산성도를 조정하는 기능이 있다.
FCC 공정을 거치고 나서 가벼운 성분들이 빠져나간 후에는 무거운 중질유가 만들어지는데, 이것은 FCC-DO라 한다. 이 FCC-DO에는 석탄 타르와는 다르게 바나듐 등의 희토류 성분이 미량 포함되어 있는데, 그 이유가 FCC 촉매에서 흘러나왔기 때문이다.
매트릭스도 FCC 촉매로 사용되는데, 매트릭스는 활성 재료,금속 포착제, 바인더 등으로 구성되어 있다.
활성성분에는 일반적으로 각종 알루미나가 이용되고 있으며, 금속 포착제는 촉매독으로 변화되는 원료유 중의 니켈(Ni)이나 바나듐(V)을 포착하여 불 활성화시키는 기능을 한다. 바나듐은 제올라이트의 골격 내부 알루미늄을 탈리 시켜서 결정을 파괴하고 또 일부는 탈수소 반응에 의한 코크스 생성을 촉진한다.
FCC 공정의 동향
희토류 사용량 저감
최근, FCC 촉매에 첨가되는 희토류 금속의 양을 줄이는 개발이 진행 중이다.희토류 금속은 가격이 굉장히 불안정하기 때문에 이 희토류 금속의 공급에 따라 촉매의 가격이 정해진다. 최근 희토류 금속 가격이 떨어지고 있지만, FCC 촉매가격 변동 위험이 있어 희토류 금속을 적게 사용하는 촉매 개발이 요구되고 있다.
희토류 대체 물질 개발
희토류 금속과 비슷한 특성을 가지며 가격이 안정적인 대체 금속을 개발하고 있다. 희토류 대체금속은 알루미나의 골격 내부와 골격 외부에서 탈알루미늄을 억제하여 제올라이트 결정을 안정화시키고 있다.
출처: FCC 촉매의 기초와 최신동향
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