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기유 정의
원유를 상압에서 증류할 때 남는 잔사유를 더욱 더 정제하여 얻은 탄소수 10에서 50 사이의 점성을 지니는 유분으로서 마찰을 감소시키는 윤활제로서의 기능을 지닙니다.
기유는 모든 석유계 윤활유 제품의 주원료가 되는 물질로서 휘발유, 등유, 경유 등의 일반 석유제품과 마찬가지로 원유로부터 얻어내므로 “광유계 윤활기유”라고 말합니다. 이와 구분하여 단 위 화학물질을 출발물질로 하여 화학적 합성을 하여 얻은 기유를 “화학합성유계 윤활기유”라고 합니다.
조성이 복잡하고 제조 공정에 따라 점도와 성분 함량이 다양하며, 윤활유 완제품 내 높은 비율을 차지하는 만큼(산업유의 경우 90% 이상) 기유의 품질이 매우 중요합니다.기유 분류
1. API(American Petroleum Institute, 미국석유 협회) 분류-1994년
API 분류 구분 포화탄화수소 황(sulfur) 점도지수 Group Ⅰ < 90% and / or < 0.03% and 80 ≤ Ⅵ 120 Group Ⅱ ≥ 90% and ≥ 0.03% and 80 ≤ Ⅵ 120 Group Ⅲ ≥ 90% and ≥ 0.03% and Ⅵ ≥ 120 Group Ⅳ PAO(Poly Alpha Olefin) Group Ⅴ Ester & Others 일반 광유계 기유중 용제추출법에 의해 제조된 기유는 주로 그룹Ⅰ에 해당되며 수첨개질법으로 제조된 기유는 대부분 그룹Ⅱ에 해당됩니다. YUBASE와 같이 고도의 수첨분해반응에 의해 제조된 VHVI기유는 주로 그룹Ⅲ에 해당됩니다. 그룹Ⅳ 기유는 PAO(Poly Alpha Olefins)으로 합성윤활기유입니다.
그룹Ⅴ기유는 그 외의 기유로서 합성기유인 에스테르(Esters)나 글리콜(Glycols) 등이 이에 해당됩니다.2. 조성에 따른 분류
조성 분류 구분 Paraffin, % Naphthen, % Aromatics, % 파라핀 기유 45~60 20~30 15~25 납센 기유 15~25 65~75 ~10 아로마틱 기유 ~5 60~75 20~25 기본적으로 광유(Mineral Oil)의 경우의 조성은 최초 사용된 원유에 의해 영향을 많이 받습니다.
다만 근래에는 단순히 분별, 추출에 의해 정제를 하지 않고 분해,
전환 등의 반응에 의해 기유를 제조하는 경우가 많으므로 원유의 영향을 적게 받아 최종 기유제품의 조성은 최초 원유의 조성과 많이 달라지게 됩니다.3. 점도지수에 따른 기유 분류
점도지수 분류 범위 분류 Ⅵ 40 Low Viscosity Index(LVI) 40 ≤ Ⅵ 80 Medium Viscosity Index(MVI) 80 ≤ Ⅵ 120 High Viscosity Index(HVI) 120 ≤ Ⅵ 140 Very High Viscosity Index(VHVI) 140 ≤ Ⅵ Ulta High Viscosity Index(UHVI) 점도 지수는 온도에 따른 점도의 변화 정도를 의미하는데, 점도 지수가 클수록 온도에 따른 점도 변화가 작습니다.
점도지수는 기유의 품질을 나타내는 대표적인 성상으로 YUBASE의 경우는 점도지수가 120 이상으로 VHVI로 구분됩니다.4. 점도에 따른 기유 분류
NEUTRAL NUMBER
100°F(37.8°C)의 SUS 점도 값에 N을 붙여 표기 Neutral 기유는 감압 증류 시 탑으로부터 증류 되어 나오는 것을 말하며, 산도가 높은 기유원료 유분(상압 잔사유)이 정제 후 중성 물질로 변하였다는 의미에서 Neutral 이라는 표현을 사용합니다.
점도 분류 Neutral 40℃ 100℃ cSt SUS cSt SUS 70N 13.3 70.8 3.0 37.0 100N 21.5 104.0 4.0 39.0 150N 31.6 148.0 4.9 42.4 250N 56.1 257.0 6.5 47.0 500N 107.0 496.0 11.0 64.0 600N 130.4 604.0 12.1 66.0 BRIGHT STOCK
210°F(98.9°C)의 SUS 점도 값에 BS를 붙여 표기 Bright stock은 매우 탁하고 검은 것이 밝은 유분으로 변하였다는 의미에서 사용되며, 일반적으로 원류를 감압 증류한 잔사유(Residues)를 Solvent De-waxing 및 Hydro-treating하여 제조하고 있습니다.
점도 분류 Bright Stock 40℃ 100℃ cSt SUS cSt SUS 135BS 413.2 1875 28.6 135.0 150BS 568.0 2632 33.0 155.0 175BS 654.7 3034 36.0 169.7 제품명
일반적으로 100℃의 동점도(cSt) 값을 붙여 표기 YUBASE 4의 경우는 100 ℃ 동점도가 4 cSt, YUBASE 6의 경우는 100 ℃ 동점도가 6 cSt임을 의미합니다.
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기유의 제조
1. 정제의 목적
윤활기유에는 다양한 화학종이 포함되어 있는데 아래와 같이 윤활기유에 유용한, 유용하지 않은 화학종이 있습니다.
윤활기유로서 유용한 화학종
윤활기유로서 유용한 화학종 화학적 유형 이유 이소(iso) 파라핀 점도지수가 높음 황화합물(티오펜 류) 황화합물(티오펜 류) 윤활기유로서 유용하지 못한 화학종
윤활기유로서 유용하지 못한 화학종 화학적 유형 이유 긴사슬 파라핀(왁스형) 유동점이 높아 저온성능에 악영향을 줌 방향족 화합물 슬러지 생성, 발암성 지님 불포화 화합물 슬러지/바니쉬 생성 염소/질소 화합물 산화 촉진 고품질의 기유를 얻기 위해서는 위의 화학종의 제거, 유지, 전환등의 정제과정을 통해 성능을 저해하는 물질을 제거하고 유용한 물질을 얻습니다.
2. 제조 공정
윤활 기유를 얻기 위해서는 다양한 공정을 통해 가능하며, 이에 따라 기유의 품질/성상이 상이합니다.
기본적인 단위 공정 및 기능을 살펴보면 아래와 같다. 아울러 YUBASE 제조의 공정 흐름도도 아래에 나타내었습니다.윤활 기유 제조 단위 공정
윤활 기유 제조 단위 공정 구분 기능 종류 Vacuum Distillation
(감압 증류)· 상압잔사유를 원하는 점도 별로 분리
· 기유의 점도와 휘발 성능이 결정됨Dearomatic Process
(탈방향족 공정)· Aromatic 성분 및 S/N/O 제거
· Ⅵ, 산화안정성, Color 개선Solvent Extraction(용제 추출)
Hydro-Treating(수소첨가 개질)
Hydro-Cracking(수소첨가 분해)Dewaxing Process
(탈랍 공정)· Wax 성분 제거하여 유동점 개선(저온 성능)
· Ⅵ가 약간 감소함Solvent Dewaxing(용제 탈랍)
Catalytic Dewaxing(촉매 탈랍)Hydrofinishing Process
(수소첨가 공정)· 불포화 탄화수소를 수첨처리
· S/N/O Compound 제거
· 열 및 산화안정성 높이고 색을 밝게 함Clay
Hydro-finishingYUBASE 제조 공정
감압증류 공정(Vacuum Distillation Unit, VDU)
윤활기유 유분은 복잡한 탄화수소들의 혼합체인데 보통 상압에서 350℃ 이상의 비점을 가지기 때문에 일반 석유 제품을 분리해내는 상압증류탑(CDU)에서는 그 유분을 얻어낼 수가 없습니다. 따라서 원유의 중질유분을 감압시킨 상태에서 증류시키는 이른 바 ‘감압증류탑’을 통해 증류시키면 기유의 기본이 되는 유분을 분리해 낼 수 있습니다.
탈방향족 공정(Dearomatic Unit)
VDU에서 분류된 유분은 점도지수와 산화안정성을 저해하는 다량의 Aromatic 유분을 포함하고 있어 이것을 제거하는 Dearomatic 공정을 거치게 되는데 이 공정이 기유제조에 있어서 중점인 정제공정입니다.
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Hydro-Treating
촉매가 충진된 반응탑에서 수소 첨가반응을 통하여 방향족화합물을 포화 탄화수소인 Naphthenic 화합물로 전환(일부는 paraffinic 화합물로도 전환) 시키는 방법입니다. 당사의 HBO(SK500N, SK120BS)는 본 공정을 사용합니다.
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Hydro-Cracking
Hydro-treating과 유사하나 운전조건이 보다 가혹하여 전환반응보다 분해반응이 주도적으로 이루어져 Hydro-treating 보다 aromatic 화합물이 naphthenic 화합물로, naphthenic화합물이 paraffin 화합물로 전환되는 비율이 더욱 높아집니다. Aromatic 함량이 적고 paraffin 함량이 더욱 더 많아 점도지수가 높고 산화안정성이 우수한 기유를 얻을 수 있습니다. YUBASE는 본 공정을 사용합니다.
탈랍 공정(Dewaxing Unit)
고단위 파라핀계 탄화수소인 왁스(Wax)는 저온에서 오일의 유동성을 저하시키며 쉽게 응고하기 쉽습니다. 이런 Wax 성분을 제거하기 위해 Dewaxing 공정을 거칩니다.
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Catalytic Dewaxing Unit
금속계 촉매가 충진된 반응탑에서 수소 첨가반응을 통하여 유동성이 우수한 이소-파라핀(Iso-Paraffin)으로 전환합니다.
수소처리 마무리 공정(Hydro-Finishing Unit)
이 공정에서는 촉매 존재 하에 수소를 첨가하여 유분 내의 불필요한 물질들을 제거함으로써 유분의 열 및 산화안정성을 높이며 색을 밝게 변화시킵니다.
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기유 품질 인자
기유는 여러 가지 다른 탄화수소의 복잡한 혼합물이며 기유의 품질은 많은 인자들에 의해서 지배 받습니다.
대표적인 품질 인자는 아래와 같으며, 이 중 점도/저온특성, 산화안정성, 휘발성에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같습니다.BASE OIL QUALITY
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휘발성
노악 휘발성
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안정성
독성 / 인화점
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상응성
아닐린점 / 항유화성
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외양
색상 / 투명도
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산화안전성
탄화수소포화도 / 방향족 함량 /
S/N 화합물 함량 -
점도/저운특성
점도 VS 온도관계(점도지수) / 저온점도
/ 유동점 / 운점 -
일관성
1. 점도 및 저온 성능
기유의 점도 특성을 대변하는 물성은 점도지수이며, 점도 지수는 온도변화에 따른 오일의 점도 변화에 대한 안정성을 의미합니다. 일반적으로 점도지수가 높은 오일은 저온 점도 특성(Cold Cranking Simulator, Brookfield 점도)이 우수합니다. 저온 유동성은 낮은 온도에서 오일 흐름에 대한 저항성을 의미합니다.
일반적으로 직쇄형 파라핀(Normal Paraffins) 함량이 높을수록 점도 지수가 향상되나, 유동점이 높아집니다. 탄화 수소 유형에 따른 점도지수/유동점 특성은 아래와 같습니다.점도 및 저온 성능 점도지수 유동점 직쇄형 파라핀(Normal-Paraffins) Very High High 곁가지 파라핀(Iso-Paraffins) High Medium 나프텐(Naphthenes) Medium Low 알킬 벤젠(Alkyl Benzene) 알킬기의 길이에 의존 다환 방향족(Multi-Ring Aromatics) Low Low 2. 산화 안정성
공기 중의 산소와 만나 산화가 진행되는데, 이는 오일의 수명/성능과 직접적인 관계가 있습니다. 방향족(Aromatics) 및 나프텐(Naphthenes) 오일의 산화안정성 대비 파라핀계(Paraffins) 오일이 산화 안정성이 우수합니다.
산화 안정성 점도지수 유동점 직쇄형 파라핀(Normal-Paraffins) Very High High 곁가지 파라핀(Iso-Paraffins) High Medium 나프텐(Naphthenes) Medium Low 알킬 벤젠(Alkyl Benzene) 알킬기의 길이에 의존 다환 방향족(Multi-Ring Aromatics) Low Low 
3. 휘발성
휘발성은 사용 중 오일의 손실을 말하는데, 기유의 휘발성은 기유의 분자량 분포나 증류성상과 관련이 깊으며 일반적으로 증류점 분포의 343 - 399℃ 범위의 유분이 기유의 휘발성을 결정합니다. 휘발성은 오일의 산화안정성과 관련이 깊은 탄화수소 분포와도 관계 있으며 일반적으로 탄화수소 유형이 파라핀, 나프텐, 방향족 순서가 될수록 휘발성이 증대 되는 경향을 보입니다. 지금까지 기유 품질 인자와 의미 그리고 품질에 영향을 미치는 탄화 수소 유형에 대해 살펴보았습니다. 이를 정리하면 아래와 같습니다.
휘발성 YUBASE
고급 윤활기유용제추출 공정
(Solvent Extraction)수소첨가 개질 공정
(Hydro-Treating)수소첨가 분해 공정
(Severe Hydro-Cracking)PAO 점도-온도 특성 Fair Good Excellent Excellent 산화안정성 Fair Good Very Good Very Good 저휘발성(저점도유) Poor Good Very Good Very Good 저온유동성 Poor Good Very Good Excellent 첨가제상응성 Excellent Very Good Very Good Fair 
탄화 수소 유형에 따른 기유 품질 영향
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