유기 화학 공업 vs. 무기 화학 공업

 

화학공업은 유기 화합물 제품을 제작하는 유기화학공업(有機化學工業), 무기 화합물 제품을 제작하는 무기화학공업(無機化學工業)으로 분류된다. 또한 산업 통계에서 사용되는 중화학공업(重化學工業)은 금속공업, 기계 제조업 등의 중공업과 화학공업이 결합한 산업 분야를 가리킨다.

 

 

유기 화학 공업(organic chemistry) vs. 무기 화학 공업(inorganic chemistry)

 

유기 화학 공업 (organic chemistry)

오늘날 유기 화학이라 함은 탄소를 함유하는 화합물인 탄화수소를 주로 취급하는 분야를 일컫는다.

 

1. 석탄을 이용한 화학 공업 

석탄의 효용성을 높이는 방법을 개발하여 온 결과, 연료로서 뿐만 아니라, 석탄으로부터 다음 그림과 같은 화학 제품의 제조에 이용하기도 한다.

 

<표 1> 석탄으로부터 얻어지는 화학제품

 

1) 석탄의 건류
공기를 차단시킨 상태에서 석탄을 가열하여 분해시키는 과정을 건류라 한다.
석탄의 건류에는 제철용 코크스나 연료 가스의 제조를 목적으로 하는 고온 건류(1000℃ 전후)와 연소성이 좋은 고체 연료를 얻기 위한 저온 건류(500℃ 전후)가 있다.

2) 석탄의 가스화 및 액화 공업
석탄의 가스화는 열에 의한 단순한 증발이 아닌 화학적 변화에 의하여 기체로 변환되는 것을 의미한다.
그 조성은 90% 이상이 메탄가스(CH4)로서, 천연가스를 대체하는 에너지원이며, 일부는 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 수성 가스로 되어 있다.
수성 가스는 기체 연료로서 뿐만 아니라, 암모니아나 메탄올을 합성하는 원료로도 사용된다.
석탁의 액화는 석탄을 공해가 없는 에너지원으로 전화시키는 방법 중에서 열효율과 경제성이 높은 공정이다.

 

 

2. 석유를 이용한 화학 공업 

석유를 이용하는 화학 공업에는 원유나 천연가스를 화학적, 물리적으로 처리하여 연료와 윤활유를 제조하는 석유 정제 공업과 합성 수지, 합성 섬유, 합성 고무 등을 제조하는 석유 화학 공업으로 크게 나눌 수 있다.

 

Source : https://m.blog.naver.com/welcomelady/221987691833

<그림 1> 석유화학과 화학산업 체계도

 

1) 석유 정제 공업

원유를 가공 처리하여 석유제품(휘발유, 나프타, 등유, 경유, 중유 등)을 만들어 내는 일을 석유정제라 한다.

이러한 원유정제 시설을 갖춘 곳을 정유공장이라 하며, 이러한 기업이나 모임을 총칭하여 석유산업이라 한다.
석유정제의 주요한 과정은 원유를 증류(蒸溜)하여 각 유분대로 분리하는 작업이다. 원유는 처음에 표준 기압 하에서 증류하여 가솔린과 경질유분의 나프타로 분리한다. 이런 조작을 토핑(Topping)이라 하며, 석유정제(石油精製) 의 주요 과정으로 되어 있다.

   - 원유의 탈염(desalting)
원유 속에는 무기 염화물이 다른 불순물과 함께 들어 있으므로, 이를 그대로 분별 증류하면 장치가 부식되거나 열효율이 감소된다.
따라서, 증류에 앞서 탈염 공정을 거친 후 정유공장으로 보낸다.

   - 원유의 분별 증류
여러 종류의 탄화수소 혼합물이라 할 수 있는 원유를 정유공장에 보내어 상압 증류 장치(1기압)에 넣고 끓는점의 차이에 따라 분별 증류하면, 다음 그림과 같이 끓는점이 낮은 나프타로부터 끓는점이 높은 중질 경유에 이르기까지 성분별로 분리된다.
상압 증류 장치에서 얻은 각각의 유분은 연료로 사용하거나 화학적 처리를 하여 다시 유용한 제품으로 가공한다.

 

Source : https://www.yncc.co.kr/ko/product/chemistry/oil2.do

<그림 2> 상압증류와 제품과의 관계

 

   - 화학적 처리 공정
석유를 화학적으로 처리하는 방법에는 분해(cracking)와 개질(reforming) 등의 공정이 있으며, 이를 통하여 석유에 함유되어 있는 탄화수소의 구조를 변화시킬 수 있다.

       ㄱ) 분해 : 분자량이 크고 끓는점이 높은 탄화수소를 분자량이 작고 끓는점이 낮은 탄화수소로 전화시키는 방법으로, 크게 가열에 의한 열분해와 촉매를 이용한 접촉 분해로 나눌 수 있다.

        ㄴ) 개질 : 옥탄가가 낮은 나프타 성분을 옥탄가가 높은 가솔린으로 변화시키는 방법으로, 촉매를 사용하는 접촉 개질이 주로 사용되며, BTX(벤젠, 톨루엔, 크실렌)와 같은 방향족 화합물을 제조한다.

  - 도시 가스 제조 공업
석유 가스를 비롯하여 천연가스를 액화시킨 액화 천연가스(LNG), 석유 가스를 액화시킨 액화 석유 가스(LPG) 등을 제조한다.

 

 

2) 석유 화학 공업

석유 화학 공업이란, 석유를 처리하여 다음 그림과 같이 에틸렌, 프로필렌, 부탄-부틸렌(C4) 유분, BTX등의 중간 원료를 분리한 다음, 이것을 화학 공정에 보내어 합성수지, 합성 섬유, 합성 고무 등의 각종 제품을 생산하는 공업이다.

 

<그림 3> 석유화학산업과 수요산업의 생산 계통도

 

   - 에틸렌 및 프로필렌
에틸렌과 프로필렌은 석유 화학 공업의 출발 원료로서 가장 중요한 위치를 차지하고 있으며, 가스나 나프타를 고온에서 분해하여 얻는다.

  - C4 유분
  C4 유분에는 부탄과 부틸렌 및 그들의 이성질체와 부타디엔 등이 함유되어 있다.
 이들은 끓는점이 서로 비슷하여 보통의 증류로서 분리하기가 곤란하므로 용매 추출법을 사용하여 분리한다.

    - BTX
일반적으로 원유 중에 함유된 방향족 탄화수소의 양은 파라핀계보다 적으므로 나프타를 개질하여 생산한다.
합성 가스 및 수소
천연 가스나 나프타를 원료로 하여 이것에 수증기와 산소를 혼합하여 약 1000℃로 가열하면 수소와 일산화탄소가 주성분인 합성 가스가 생성된다.
이 합성 가스는 메탄올을 합성의 원료가 되며, 수소를 분리하여 암모니아 합성 및 여러 가지 수소화 반응의 원료로 사용된다.

   - 합성 고분자 화합물
1909년 베이클랜드에 의하여 합성 수지인 페놀 수지가 발명되었고, 1928년 캔로더스(Carothers)에 의하여 나일론 발명되었으며, 그 후 합성 고무와 폴리에스테르계 합성 섬유가 개발됨으로써 합성 고분자 화학의 기틀이 마련되었다.
석유 화학 제품인 단량체를 원료로 하여 부가 중합이나 축합 중합 반응을 일으키면 고분자 화합물인 합성 수지, 합성 섬유, 합성 고무 등을 제조할 수 있다.

   - 합성 수지
플라스틱이라는 말로 잘 알려져 있는 합성수지는 가볍고, 전기 절연성과 내부식성이 뛰어나며, 가공과 착색이 쉽다는 특징을 지니고 있어 일용품에서부터 산업용 재료에 이르기까지 그 사용 범위가 매우 넓다.
합성수지는 열가소성 수지와 열경화성 수지로 크게 분류할 수 있다.
열가소성 수지는 가열하면 연화되어 변형이 가능한 수지로서, 폴리에틸렌 수지, 폴리염화비닐, 폴리스티렌 수지, 나일론, 폴리에스테르 수지 등이 이에 속한다.
열경화성 수지는 가열하면 경화되고, 일단 경화되면 아무리 가열하여도 연화되거나 용매에 녹지 않는 수지로서, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 등이 이에 속한다.

   - 합성 섬유
섬유 화학 공업의 발달로 촉감, 시각적 효과, 방사성, 강도, 염색성 등이 뛰어난 화학 섬유로, 가늘고 긴 실 모양의 고분자가 방향성을 가지고 배열된 섬유이다.
이 섬유에는 나일론, 비닐론, 레이온 등이 있다.

   - 합성 고무
천연고무의 구성단위가 이소프렌인 것에 착안하여 이와 유사한 화학 구조를 갖는 부타디엔 등으로부터 고무를 합성하려는 노력이 결실을 보아 여러 종류의 합성 고무가 제조되었고, 최근에는 이소부틸 고무, 실리콘 고무, 우레탄 고무 등 보다 향상된 기능을 가진 고무가 개발되어 사용되고 있다.

 

 

3. 기타 유기 화학 공업

1) 펄프 및 제지 공업

2) 유지 공업
3) 계면 활성제 및 세제
4) 도료 및 염료 공업
5) 식품 및 의약품 제조 공업

 

무기 화학 공업 (inorganic chemistry)

탄소를 함유하지 않은 화합물과 몇 가지 무기 탄소(예를 들어,  CO2, KCN 등) 화합물을 무기 화합물이라 하며, 이 무기 화합물을 제조하는 공업을 무기 화학 공업이라 한다.

 

1. 산·알칼리 공업

 

1) 황산의 제조
황산 제조의 주요 공정은 이산화황(SO2)을 산화하여 삼산화황(SO3)으로 전환시킨 후, 이를 묽은 황산에 흡수시켜 진한 황산을 제조하는 과정으로 되어 있다.
공업화된 황산의 제조 방법은 이산화황을 산화시키는 방법에 따라 접촉법과 연실법으로 나뉘며, 고농도 황산에 대한 수요 증가에 따라 오늘날에는 대부분 접촉법만을 사용하고 있다.
연실법의 경우 약 70%, 접촉법의 경우 98% 이상의 농도로 생산한다.    

2) 염산의 제조
소금물을 전기 분해하여 수산화나트륨을 제조할 때 부산물로 얻을 수 있는 수소와 염소를 고온에서 직접 반응시켜 염화수소를 제조하고 이를 냉각시켜 물에 흡수시키면 순도가 높은 염산을 얻을 수 있는데, 요즈음은 특정한 유기 화학 공업에서 부산물로 나오는 염화수소를 이용하여 순도가 낮으나 경제성이 큰 염산을 얻고 있다.

3) 질산의 제조
과거에는 NaNO3가 주성분인 칠레 초석을 원료로 하여 질산을 제조하여 왔으나, 요즈음에는 대부분 암모니아를 산화시키는 방법으로 제조하고 있다.
암모니아 산화법은 오스트발트(Ostwald)법이라고도 하며, 질산의 주요 용도로는 화학 비료, 화약, 염료, 농약, 질산나트륨 등의 제조를 들 수 있다.

4) 암모니아의 합성
암모니아가 발견된 것은 18세기 후반이지만 20세기에 접어들어 하버-보슈(Haber-Bosch)법으로 제조하게 되었으며, 나프타→합성 가스 제조→암모니아를 합성한다.

암모니아의 용도는 대부분이 질소 비료용이고, 합성 수지, 합성 섬유, 화약 등의 제조에 사용되고 있다.

 

 

2. 소다 공업
염화나트륨(NaCI)을 기본 원료로 하여 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH)과 같은 알칼리나 염소가 함유된 제품 등을 제조하는 공업을 소다 공업이라 하며, 이는 암모니아 합성, 황산의 제조 등과 함께 무기 화학 공업의 근간을 이루고 있다.

1) 탄산나트륨의 제조
염화나트륨과 황산을 사용하는 르블랑(Leblanc)법이 18세기 말에 발명되었으나 이보다 더 우수한 솔베이(Solvay)법이 19세기 말에 발명되어 요즈음에는 암모니아 소다법으로도 불리는 솔베이법이 주로 사용된고 있다.
탄산나트륨의 주요 용도는 유리 제조, 세제 및 무기 화학 약품의 제조 등이다.

2) 수산화나트륨의 제조
19세기 말에 염화나트륨 수용액을 전기 분해하여 수산화나트륨을 제조하는 간단한 공정이 개발됨으로써 최근에는 대부분 전기 분해법을 사용하고 있다.
전기 분해법에는 격막법과 수은법을 비롯하여 이들의 결점을 보완한 이온 교환막법 등이 있으나, 현재 수은법은 거의 사용되고 있지 않다.

 

 

3. 비료 공업
비료는 그 주성분에 따라 질소 비료, 인산 비료, 칼륨 비료 등으로 분류할 수 있다.

1) 질소 비료
비료 중에서 사용 범위가 가장 넓으며, 요소, 황산암모늄, 석회질소 등이 있다.

- 요소 비료
질소의 함유량이 46% 정도로 질소 비료 중에서 가장 많이 제조되고 있다.
요소의 합성 공정은 암모니아와 이산화탄소로부터 카르밤산암모늄을 만든 다음, 이를 탈수하여 제조한다.

- 황산암모늄 비료
황산암모늄은 황안이라고도 하며, 요소 비료와 함께 대표적인 질소 비료로서, 질소 함유량은 21%정도인데, 황산에 암모니아를 흡수시켜 직접 합성하는 방법과 석탄을 건류하거나 다른 화학 공업에서 부산물로 생성되는 암모니아를 이용하는 방법이 있다.

2) 인산 비료
인산 비료에는 인광석을 황산으로 분해하여 제조한 과인산석회, 인광석을 인산으로 분해하여 제조한 중과인산석회를 비롯하여 질소와 인산을 동시에 함유하고 있는 인산암모늄(인안) 등이 있다.

3) 칼륨 비료
황산칼륨(K2SO4)과 연화칼륨(KCI) 등의 화학비료가 많이 쓰인다.

4) 복합 비료
복합 비료는 비료의 3요소 중의 두 성분 이상을 혼합 또는 반응시켜 식물 생장에 알맞도록 조정한 것으로, 크게 배합 비료와 화성 비료로 나눌 수 있다.