분해공정의 개념과 그로 인해 얻어지는 부산물(1차 세계대전 역사)

분해공정의 개념과 그로 인해 얻어지는 부산물(1차 세계대전 역사)

분해공정의 개념과 그로 인해 얻어지는 부산물(1차 세계대전 역사)

모자라는 천연물질을 합성물질로 대체한다는 관점에서 보면, 우리가 일상적으로 굉장히 많은 양의 천연물질을 소비하고 있을 경우, 굉장히 많은 양의 합성물질을 만들어 내야 하는 문제가 있죠. 따라서, 합성물질을 만드는 중합 반응에 있어서 실질적으로 중요해지는 요인은 합성물질을 만들 때 사용해야만 하는 피드 스톡, 즉 원재료의 양입니다. 충분한 양의 원재료가 확보되어야만 충분한 양의 합성물질을 만들 수 있고, 그래야만 합성물질을 이용해서 모자라는 천연물질을 대체할 수 있는 것이죠. 러시아의 화학자 레베데프가 1910년에 폴리 뷰타다이엔이라는 합성고무를 개발했고, 1차 세계대전 중에 이 합성고무를 대량 생산하는 공장까지 건설을 했음에도, 전쟁이 끝난 후 그 공장을 모두 폐쇄하게 되었던 이유는 폴리 뷰타다이엔이라는 합성고무를 생산하는데 필요로 했던 원재료인 뷰타다이엔이 충분히 공급될 수 없었기 때문이었습니다. 이러한 관점에서 보면 접촉분해공정에서 굉장히 많은 양의 부산물이 남는다는 사실에 주목하게 됩니다.

분해공정의 개념

분해공정, 즉 cracking process는 그 앞의 여러 가지 수식어가 붙는데요. Catalytic cracking이라고도 하고요. Thermal cracking이라고도 하고 Steam cracking이라고도 하는데요. 약간의 차이는 있지만 전부 다 커다란 분자를 작은 분자로 깨트린다는 관점에서는 사실 동일한 원리를 사용하는 프로세스입니다. 접촉분해공정 같은 경우에는 원유를 깨트리는데요. 원유는 굉장히 덩치가 큰 고분자죠. 처음에 이 cracking process를 개발했던 프랑스의 우드리는 알루미노 실리케이트를 촉매로 사용했습니다. 그래서 촉매를 넣고 굉장히 높은 압력을 가한 후에 높은 온도로 가열을 하죠. 알기 쉽게 이 프로세스를 표현하면 유리그릇을 갖다 놓고 망치로 마구 두드려서 조그마한 조각들로 깨뜨려 버리는 프로세스입니다. 어떻게 보면 굉장히 무지막지한 프로세스죠. 원유를 촉매를 이용하여 고온과 고압에서 그냥 깨트려버립니다. 따라서, 이 cracking process의 핵심 공정은 깨트리는 프로세스라기보다는 깨트린 후에 이 깨진 조각들을 크기에 따라서 각각 따로따로 분별해내는 프로세스에 있습니다. 이것을 우리는 분별이라고 합니다. 분별증류라고도 하는데 이 분별 과정을 통해서 굉장히 작은 크기의 부산물은 작은 크기대로, 중간 크기는 중간 크기대로, 큰 크기는 큰 크기대로 서로 따로따로 분리해내죠. 그 과정에서 중간 크기를 갖는 휘발유를 얻게 되는데요. 이 휘발유를 얻는 과정에서 굉장히 다양한 종류의 그것도 매우 많은 양의 부산물들이 얻어집니다. 이 cracking process의 특이한 점은 공정의 반응 조건, 예를 들어, 촉매를 바꾼다던지, 압력과 온도를 바꾼다던지 하는 방법으로 원유를 깨트리는 공정의 조건을 바꾸면 그 결과 얻어지는 부산물의 종류도 달라진다는 사실입니다. 촉매를 다른 물질로 바꾸고, 각기 다른 조건의 압력과 온도에서 깨트리는 과정은 마치 유리그릇을 깰 때 커다란 쇠망치로 마구마구 두드려서 잘게 깨트리는 것과 조그마한 나무망치로 톡톡 두드려서 커다란 크기로 깨트리는 것과의 차이에 비유할 수 있습니다. 원유를 깨뜨릴 때, 서로 다른 촉매와, 서로 다른 조건에서 깨뜨리면 그 깨지는 조각들의 크기 분포가 달라지게 되고, 서로 다른 부산물들이 얻어지게 되는 것이죠. 경우에 따라서는 휘발유를 많이 얻을 수도 있지만, 필요에 따라서는 부산물이 더 필요할 경우에는 휘발유를 적게 얻는 대신에 오히려 부산물들을 더 많이 얻을 수도 있는 것이죠. 이처럼 cracking process는 다양한 방식으로 조건을 바꾸면서 자신이 원하는 다른 종류의 부산물들을 얻는데 굉장히 유리한 공정 조건을 가지고 있습니다. 더구나 원유뿐만이 아니라, 일단 원유를 깨뜨린 다음에 얻어지는 커다란 조각들에 대해서도 촉매가 있는 조건에서 고온고압으로 처리를 하면서 다시 한번 깨트리는 과정을 재차 거칠 수 도 있습니다. 정유 공장에 가면 높은 탑들을 보게 되는데, 그 탑들이 전부 이렇게 해서 깨트린 조각들을 분별해내는 분별증류 탑들입니다. 이와 같은 분해공정에서 얻어지는 부산물들을 한번 살펴보도록 하겠습니다.

분해공정을 통해 얻어지는 부산물

분해공정을 통해서 원유를 잘게 깨뜨리면 굉장히 작은 조각들의 부산물들이 많이 얻어지는데요. 메탄이라는 물질인데요. 여러분들이 흔히 천연가스라고 부르는 물질이죠. 여러분 집에 공급되는 도시가스가 바로 이 메탄이라는 물질입니다. 그다음에 이 메탄 두 개를 연결하면 에탄이라는 물질이 되고요. 하나 더 붙이면 프로판이라는 물질이 되고 또 하나를 더 붙이게 되면 부탄이라는 물질이 되죠. 탄소의 개수가 하나에서 둘, 둘에서 셋, 그리고 셋에서 넷으로 증가를 하죠. 이런 식으로 탄소를 붙여나가다 탄소가 8개까지 붙게 되면 그때 비로소 휘발유와 유사한 물질들이 만들어지기 시작하는 것입니다. 프로판은 식당에서 취사를 할 때 사용합니다. 여러분이 잘 알 듯 부탄은 야외에 놀러 갈 때 사용하는 휴대용 가스레인지 속 깡통에 들어있는 가스입니다. cracking process에서 얻어지는 이와 같은 작은 크기의 분자들은 연료로 판매를 하게 됩니다. 이들 외에도 작은 크기의 다른 분자들도 만들어지는데요, 그중에서도 이중결합을 갖는 작은 분자들이 많이 얻어집니다. 예를 들면 에틸렌이라는 물질이 있습니다. 에틸렌이라는 물질은 이중결합을 가지고 있는 물질로서 현재 우리들이 가장 많이 사용하는 폴리에틸렌 플라스틱을 생산하는 데 사용되는 원재료입니다. 폴리에틸렌이라는 물질은 연간 약 8,000만 톤 정도 생산을 하는데요. 이를 위해서 연간 약 15,000만 톤 정도의 에틸렌을 생산합니다. 물론 대부분이 cracking process를 통해서 얻어집니다. 프로펜이라는 물질도 이중결합이 있습니다. 여기에 뷰타다이엔이라는 물질도 만들어집니다. 바로 1910년 러시아의 화학자 레베데프가 최초로 만든 합성고무인 폴리 뷰타다이엔을 만들 때 사용했던 물질이지요. 이런 물질들이 모두 cracking process의 부산물로 얻어집니다. 또한 벤젠이 얻어지고요. 벤젠의 사이드 링을 가지고 있는 톨루엔, 스타이렌, 혹은 자이렌과 같은 물질들도 얻어집니다. 이들 중에 스타이렌이라는 물질에 주목할 필요가 있는데요. 스타이렌이라는 물질도 역시 이중결합을 가지고 있죠. 이처럼 이중결합을 가지고 있는 분자들을 활용하면 중합 반응을 통해서 고분자를, 즉 천연물질을 대체할 수 있는 물질을 만들 수 있게 되는 것이죠. 1944년에 일본이 천연고무의 공급을 차단하면서 미국을 중심으로 한 연합국은 천연고무를 대체할 합성고무를 얻는 것이 매우 시급해졌습니다. 그래서 휘발유를 생산하는 cracking process에서 얻어진 부산물들을 들여다보게 됩니다. 그리고 부산물들 중 뷰타다이엔과 스타이렌이라는 두 가지 물질을 선정합니다. 여러 실험 끝에 결국 1944년 스타이렌과 뷰타다이엔이라는 두 가지 물질을 섞어서 서로 고리를 연결시키는 중합 반응에 의해서 폴리스타이렌-뷰타다이엔이라는 합성고무를 대량으로 생산하게 됩니다. 그리고 이렇게 대량 생산된 합성고무를 이용해서 당시에 전쟁을 수행하는 데 있어서 핵심적인 군수물자였던 타이어를 만들어서 공급하게 되죠. 당시에 이와 같은 합성고무가 대량으로 공급되지 않았더라면 천연고무의 공급이 끊기면서 비행기들은 타이어가 없어서 이륙도 착륙도 못했을 테고 장갑차, 트럭, 지프차와 같은 전투장비들도 운행을 할 수 없게 되었겠죠. 1944년에 이 폴리스타이렌-뷰타다이엔이라는 합성고무가 만들어지고 이 합성고무를 이용해서 타이어를 생산하여 공급하면서 아무 이상 없이 태평양전쟁을 치를 수 있었습니다. 보시는 이 사진은 당시 필리핀에서 작전을 수행했던 각종 전투장비들과, 태평양 전선에서 활동했던 전투기들입니다. 이런 전투기와 전투장비들은 합성고무로 만들어진 타이어를 장착하고 제2차 세계대전을 승리로 이끌게 되죠. 현재 2012년을 기준으로 폴리스타이렌-뷰타다이엔이 연간 약 540만 톤이 생산되고 있는데요. 이렇게 생산된 폴리스타이렌-뷰타다이엔의 거의 대부분은 여러분이 타고 다니는 자동차의 타이어를 생산하는 데 사용되고 있습니다. 부산물들 중에는 뷰타다이엔도 볼 수 있죠? 러시아의 화학자인 레베데프가 1910년에 폴리 뷰타다이엔을 만드는 공정을 개발하고 제1차 세계대전 중에는 대량 생산하는 공장까지 건설하였으나, 결국에는 원물질인 뷰타다이엔이 부족해서 그 공장을 폐쇄하게 되죠. 그런데 이 공장도 다시 부활하게 됩니다. 현재 2010년 기준으로 연간 약 210만 톤의 폴리 뷰타다이엔 합성고무가 생산되고 있고요. 생산된 이 합성고무의 거의 대부분은 경주용 자동차의 타이어를 생산하는 데 사용됩니다. 이 폴리 뷰타다이엔의 탄성력이 굉장히 좋기 때문에 생산량의 일부는 골프공의 충진재로 쓰입니다. 굉장히 많은 양이 사용되고 있죠. 이 cracking process, 즉 분해공정을 통해서 원래 얻고자 했던 것은 바로 휘발유입니다. 그래서 원유라는 천연물질을 잘게 깨뜨려서 그 깨진 조각에서부터 적절한 크기를 갖는 휘발유라는 액체 원료를 얻었습니다. 그 과정에서 굉장히 많은 부산물들이 얻어졌습니다.