1. 개요
석유화학(石油化學, petrochemistry)은 석유를 가공할 때 나오는 물질인 나프타 등을 이용해 플라스틱 등의 여러 합성 원료를 만들어 내는 화학 분야이다.미국에서 가장 높은 연봉을 받는 학문이 바로 석유 공학 (Petroleum Engineering) 이다.
석유화학 공정의 선수과목은 단위조작과 반응공학이고 과목 교수들은 화학공학과 출신으로 정유사에서 커리어를 쌓은 사람들이 많다.
정유산업에서 증류탑 공정을 통해 LPG·나프타·항공유·등유·휘발유·경유·중유 등을 분리한다면 그 중에서 다시 나프타를 화학적으로 분리하고 가공하는 것을 석유화학 산업으로 분류할 수 있다. 다만, 이제는 많은 정유사들이 기존 업스트림 중심의 공정에서 점차 다운스트림의 석유화학 공정으로 확대시켜 나가고 있는 추세이다. 석유화학 업계에서 기초 유분을 생산하는 방식은 크게 NCC(나프타 분해 설비), CTO(석탄에서 올레핀을 제조하는 공정), ECC(에탄 분해 설비)의 3가지로 나눌 수 있다.
정유 및 석유화학 산업에 있어서 각 공정에서 적합한 온도 및 압력 범위, 플랜트 설계, 촉매 등의 조건은 공정 설계만 전문적으로 하는 회사에서 만들어 라이센스를 줘서 팔고 있다. 미국 UOP사 등이 이에 해당한다.
2. 산업의 일종
세계 GDP의 제조업 부문 중 화학산업은 15%로써 가장 큰 비율을 차지하고 있으며, 이 중 50%가 석유화학 관련 산업이다. 한국의 석유화학 산업은 1970년대 박정희 정부 주도로 시작되어, 1990년대 이후 민간 주도의 발전으로 80배 이상 비약적으로 성장했으며 울산, 여수, 대산 3개의 석유화학 단지에 약 50개 업체가 수직계열화를 이루고 있다. 국내 석유화학 산업은 2022년 에틸렌 생산 능력 기준으로 보면 세계 4위의 규모(12,700천톤/년)로, 생산액 기준으로는 자동차, 기계, 반도체에 이어 4위의 국가 기간 제조 산업이다.국내 석유화학 회사라고 하면 LG화학, 롯데케미칼, 한화솔루션, 금호석유화학그룹, SK지오센트릭, DL케미칼, 대한유화, 효성화학, 한화토탈에너지스, 여천NCC, 코오롱인더스트리, 송원산업등을 의미한다. 관련 교육기관으로는 여수석유화학고등학교가 있다.
석유화학 회사에서 연구원 경력을 쌓은 사람들은 정유사로 이직하기도 한다. 정유공정을 하는 기업들의 경우 정유사 문서 참조.
석유화학 설비 증설 시 가장 필요한 사람은 20년급 경력을 쌓은 엔지니어다. 이들은 대체 불가능한 인력으로 설비 초기 셋업 시 안정성 확보에 필수적인 역할을 한다. 또 건설사 플랜트 공정설계 경력자 역시 영입 대상이다.
국내의 경우 정유사가 석유화학 산업으로 진출하는 경우가 늘어나고 있다. SK이노베이션이야 원래 정유와 석유화학을 함께 하던 회사이고[1], 에쓰오일 역시 울산공장의 주변 부지에 석유화학 시설을 짓고 있다. HD현대오일뱅크도 서산사업장 내에 석유화학 설비를 확충하고 있으며 롯데케미칼, OCI, 코스모화학 등과 합작법인을 설립하여 석유화학공장을 짓고 있다. GS칼텍스는 모기업인 GS그룹이 LG그룹에서 분리되어 나오면서 서로의 사업 영역은 침범하지 않겠다는 신사협정 때문에 석유화학 업종으로 진출하는 데에 가장 소극적이었다. LG그룹의 석유 사업에서 정유(LG정유)는 GS그룹이 가져 나오고[2], 석유화학(LG화학)은 LG그룹에 남겨놓는 식이었기 때문이다. 그러나 시간이 지나면서 GS칼텍스도 석유화학 산업으로 진출하고 있다.
이처럼 정유사가 석유화학으로 진출하는 이유는 크게 두 가지다. 첫째, 석유화학은 정유 과정에서 나오는 제품들을 주로 사용하는 업종이기 때문에 정유사는 손쉽게 석유화학 업종으로 진출할 수 있으며, 석유화학만을 영위하는 회사보다 합리적인 비용으로 제품을 생산할 수 있다. 둘째, 정유산업과 석유화학산업은 재무적으로 반대 방향으로 흐르기 때문에 리스크를 헷징할 수 있기 때문이다. 일반적으로 유가가 오르면 정제 마진이 올라 정유사의 실적이 오른다. 반면 정유 부산물의 가격도 올라가 석유화학 회사는 영업 비용이 증가한다. 반대로 유가가 하락하면 정제 마진이 하락해 정유사의 실적은 떨어지지만 석유화학 회사의 실적은 증가한다. 정유든 석유화학이든 영업 이익에서 가장 중요한 요인은 유가인데, 두 사업의 영업 이익이 유가에 대해 반대로 움직이기 때문에 두 사업을 함께 한다면 영업 이익의 변동성을 줄일 수 있다.
3. 촉매
석유화학 산업 전반에서 쓰인다. 현오뱅의 경우 연 600억원 정도를 수입한다.4. 공정
원유의 증류를 통해 얻어진 나프타 또는 천연가스 등을 원료로 사용하여 불포화 탄화수소인 에틸렌, 프로필렌, 뷰텐, 부타디엔, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 기초 유분을 생산하고, 이를 이용하여 플라스틱, 합성섬유의 원료, 합성고무, 각종 기초 화학제품, 정밀화학 중간체 및 화성품을 생산한다.4.1. 기초유분 및 중간원료 생산
NCC(나프타 분해 설비, Naphtha Cracking Center)의 열분해 공정, 급냉 공정, 압축 공정, 분리정제 공정을 거쳐 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, BTX(Benzene, Toluene, Xylenes) 등의 기초 유분, 그리고 그러한 기초 유분으로부터 중간 원료인 파라-자일렌(P-X), VCM(Vinyl Chloride Monomer), SM(Styrene Monomer) 등의 중간 원료를 생산한다.NCC에서 생산되는 제품들의 구성비는 보통 에틸렌 31%, 프로필렌 16%, C4유분 10%(부타디엔 원료), RPG(벤젠/톨루엔/자일렌 원료) 14%, 메테인·수소·LPG 등 기타제품이 29% 이다. 이때 에틸렌과 프로필렌은 바로 유도품 생산공정으로 가고, C4유분과 RPG는 추가로 추출·정제하는 공정을 거쳐 부타디엔과 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등 유용한 석유화학 기초유분을 생산하게 된다.
4.2. 유도품 생산
석유화학 제품은 크게 합성수지, 합성원료, 합성고무, 그리고 기타화학 제품으로 구분될 수 있다. 기초유분, 중간 원료는 각각의 촉매반응을 거쳐 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부텐(PB), 폴리스타이렌(PS) 등의 합성수지, 그리고 합섬원료인 TPA(Terephthalic Acid), AN(Acrylonitrile), 카프로락탐(Caprolactam) 등을 생산한다. 부타디엔(BD)으로부터 다양한 합성고무제품 또한 생산되고 있다. 이러한 석유화학제품들은 다시 플라스틱 업체, 섬유 업체, 고무 업체 및 각종 화학업체 등에서 가공되는 과정을 통해 실제 제품으로 생산된다.석유화학제품은 천연소재의 대체품으로서 각종 생활용품에서부터 전기전자, 컴퓨터, 자동차, 건설 등에 이르기까지 사용되지 않는 곳이 없을 정도로 용도가 다양한 기초적 원자재다. 일상 생활에서 볼 수 있는 물건의 약 70%, 즉 금속, 유리, 석재, 목재(이나마도 대부분 합성수지를 사용한 합성목재다.)를 제외한 거의 모든 소재는 석유화학 제품으로 만들어졌다고 보면 된다.