VDU (Vacuum Distillation Unit) Part 2

지난 1편에서는 VDU의 기본 개념과 감압 운전의 원리, 그리고 CDU와의 연계에 대해 알아봤다. VDU는 CDU 하단에서 나오는 AR (Atmospheric Residue)를 원료로 받아, 진공 조건 (30~50 mmHg)에서 350~400°C로 가열하여 추가 증류하는 공정이라고 정리할 수 있다.

 

이번 편에서는 VDU에서 실제로 어떤 제품들이 나오고, VDU가 정유사에 어떤 경제적 가치를 제공하는지, 그리고 VDU의 운전 변수에 대해 다뤄보려고 한다.

VDU의 Vacuum Column에서는 위에서부터 아래로 끓는점 순서대로 여러 제품들이 분리된다. 현업에서 주로 다루는 제품들을 정리하면 아래와 같다.

 

• LVGO (Light Vacuum Gas Oil)
  • 끓는점: 약 360 ~ 400'C (운전마다 다를 수 있음) 
  • 용도: Hydrocracker 또는 FCC의 원료, 또는 Hydrotreating을 통한 디젤 제품 생산에 사용
  • 특징: VDU 운전에 따라 디젤 Range에 적절하게 뽑아낼 수 있기에 최근에 디젤을 목적으로 하여 운전하는 경우가 많다.
• MVGO (Middle Vaccum Gas Oil)
  • 끓는점: 약 400 ~ 500'C 초반까지
  • 용도: Hydrocracker 또는 FCC의 원료
  • 특징: LVGO와는 다르게, 여기서부터는 바로 디젤로 사용하기엔 어렵기 때문에 Cracking을 해줘야 한다. 만약 LVGO를 별도로 뽑아내지 않는다면, LVGO와 MVGO를 묶어서 VGO라고 부르기도 한다. 즉, 외부에서 VGO를 수입한다고 하면, 보통은 이러한 유분을 가져와서 Hydrocracker나 FCC의 원료로 쓴다고 생각하면 된다.
• HVGO (Heavy Vaccum Gas Oil)
  • 끓는점: 약 500 ~ 550'C 
  • 용도: Hydrocracker, FCC 또는 Lube Base Oil (LBO)의 원료
  • 특징: 위의 용도와 같이, HVGO는 공장의 Configuration에 따라 사용처가 상당히 달라질 수 있다. 만약 Lube 공정이 있다면 공정 운전을 통해서 Lube 공정에 적절한 원료로 쓸 수도 있다. 혹은 그냥 Cracker나 FCC에 넣어서, 각 공장이 목적으로 하는 대표 제품을 더 뽑는데 사용될 수도 있다.
• VR (Vacuum Residue) 
  • 끓는점: 550'C ~
  • 용도: Bunker Fuel (선박유)또는 Asphalt, Coker 원료로 사용 (요즘에는 Residue Cracker도 사용)
  • 특징: 가장 무거운 stream으로, 위의 제품을 만든다 하더라도 다른 제품을 어느 정도 섞어서 제품 spec.을 맞춰줘야 한다. 한편으로는 이 VR을 얼마나 잘 처리하느냐에 따라 수익성을 증가시킬 수도 있다. 

위와 같이, 만약 VDU가 없다면, CDU 하단의 AR (Atmospheric Residue)은 그냥 저부가가치 제품(Bunker Fuel, 아스팔트)으로 팔 수밖에 없다.

하지만 VDU를 운영하면 위와 같이 AR에서 VGO를 추가로 회수함으로써, FCC나 Hydrocracker 공정을 이용하여 가솔린, 디젤, 납사 또는 Kerosene의 제품을 만들 수 있기에 High Value Product의 수율이 증가하는 효과가 있다. 

 

VDU의 운전 변수는 여러 가지가 있겠지만, 대표적인 것들만 살펴보도록 하자.

1. Column Pressure (30 ~ 50 mmHg): VDU의 존재 이유 자체가 감압이기 때문에, 압력 관리는 가장 기본 중의 기본이다. 압력이 올라가는 원인은 대부분 Ejector 성능 저하, 스팀 공급 불안정, 또는 탑 내부 Non-condensable Gas 발생량 급증이다. 압력이 올라가면 Heavy 성분들의 기화가 줄어들면서 HVGO(Heavy Vacuum Gas Oil) 수율이 떨어지고, 최악의 경우 Coke 생성으로 이어진다.
2. Heater COT (Coil Outlet Temperature): VDU Heater의 목표는 AR(Atmospheric Residue)을 Flash Zone으로 보내기 전에 충분히 가열하는 것인데, CDU보다 다루는 원료가 훨씬 무겁고 점도가 높기 때문에 관리가 더 까다롭다. COT가 너무 높으면 Thermal Cracking이 발생해서 Coke가 Heater 튜브에 쌓이기 시작하고(Coking), 너무 낮으면 Flash Zone에서 기화량이 부족해서 수율이 떨어진다. 특히 VDU Heater는 튜브 내 유속을 충분히 높게 유지하는 것(High Velocity Steam 주입)이 Coking 방지의 핵심이다.
3. Stripping Steam: VDU에서는 CDU처럼 스트리핑 스팀(Stripping Steam)을 탑 내부에 주입하는데, 이 스팀이 단순히 경질분을 떼어내는 역할만 하는 게 아니다. 스팀이 탑 안으로 들어오면 탑 내부의 오일 증기 분압(Partial Pressure)을 낮춰주는 역할도 함께 한다. 쉽게 말하면, 스팀이 희석제(Diluent) 역할을 해서 오일 성분이 더 낮은 온도에서도 기화될 수 있게 도와주는 것이다. 스팀을 너무 많이 넣으면 Ejector 부하가 늘어나서 탑 압력이 올라가는 역효과가 생기고, 너무 적으면 Heavy 성분들의 기화가 부족해진다. 적정 스팀량은 사이트마다 다르지만, 탑 압력과 수율을 동시에 보면서 최적점을 찾아야 한다.
4. Cut Point 관련 제품 품질: VDU에서 나오는 VGO 는 이미 Heavy한 stream들이므로, Metal (Ni, V 등) 및 CCR(Conradson Carbon Residue) 함량이 상당히 높다. 이러한 성분들은 다운스트림의 공정에 있는 촉매 수명과 직결되기 때문에 반드시 관리를 잘 해줘야 한다. 

위의 변수들은 각각 독립적으로 보이지만 실제로는 서로 강하게 연결되어 있다. 예를 들어, COT를 올리면 Flash Zone 기화량이 늘어나서 HVGO 수율은 좋아지지만, Coking 위험이 올라간다. 스팀을 늘리면 분압이 낮아져서 기화에 유리하지만, Ejector 부하가 늘어 탑 압력이 올라갈 수 있다. 탑 압력이 올라가면 다시 기화량이 줄어들고 수율이 떨어진다. 결국 VDU 운전의 핵심은 이 변수들을 동시에 보면서 균형점을 찾는 것이라고 할 수 있다.

 

다음에는 CDU 후단 공정, 또는 VDU에서 나온 VGO가 어떻게 FCC나 Hydrocracker 같은 2차 전환공정으로 이어지는지도 다뤄보도록 하자.