KR100767023B1 - 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는식물성 절연유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유에 관한 것으로, 특히 식물성 기름과 저분자 알콜을 반응물로 하고 이 반응물을 촉매 존재하에서 반응시켜 식물성 절연유인 에스테르 물질을 생성한 후, 반응 생성물인 에스테르와 미반응 물질을 포함한 글리세롤 층을 용이하게 상분리함으로써, 적당한 점도를 가지는 절연유를 얻을 수 있는 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유에 관한 것이다.

본 발명의 식물성 절연유의 제조방법을 이루는 구성수단은, 변압기 등의 전력기기에 사용되는 식물성 절연유 제조 방법에 있어서, 식물성 기름과 저분자 알콜을 혼합하여 알칼리 촉매 하에서 에스테르화 반응을 시키는 단계, 상기 에스테르화 반응에 의하여 생성된 에스테르 물질과 글리세린을 상분리시키는 단계, 상기 상분리된 에스테르 물질을 증류시켜 잔존하는 알콜과 수분을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

절연유, 식물성 기름

Description

식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유{vegetable dielectric coolant and method for manufacturing thereof}

도 1은 식물성 절연유의 제조 방법에 관한 절차도이다.

본 발명은 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유에 관한 것으로, 특히 식물성 기름과 저분자 알콜을 반응물로 하고 이 반응물을 촉매 존재하에서 반응시켜 식물성 절연유인 에스테르 물질을 생성한 후, 반응 생성물인 에스테르와 미반응 물질을 포함한 글리세롤 층을 용이하게 상분리함으로써, 적당한 점도를 가지는 절연유를 얻을 수 있는 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유에 관한 것이다.

최근 개발되는 전력기기에 대하여 환경 기후 협약에 따른 규약의 대응으로 인체 및 자연환경에 친화적이어야 하며 또한 경제성의 향상, 소형화에 대한 요구가 증가되고 있다. 종래의 변압기 오일에 있어서 석유를 기초로 한 광유는 PCB 성분으로 인하여 인체 유해성 및 환경오염 문제가 매우 심각하고 인화점이 150 ℃ 정도로 낮아 과부하시 폭발의 위험성을 내포하고 있으며, 실리콘유는 동점도가 높아 변압기 내부에서 순환이 양호하지 못해 냉각효율이 떨어지는 단점이 있었다.

또한 유입변압기에 있어서 유분출 고장은 도심지에 있어서 화재로 인한 인명사고와 2차적인 문제를 유발시킬 수 있으며, 토양과 특히 수질오염은 심각한 문제가 아닐 수 없다.

이러한 문제점을 해결할 수 있는 순환자원으로서 기존의 석유를 기초로 한 절연유와 대별될 수 있는 생분해성 식물성 절연유로서, 매년 지속적으로 재배되는 식물성 기름을 이용한 절연유에 대한 연구가 이루어지고 있고 현재 그 실용화에 있어서도 많은 진보적 기술이 제안되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 변압기와 같은 전력기기에 절연유로 사용하기에는 그 자체의 점도가 높아 냉각효율에 문제가 되는 단점을 극복하기 위하여, 식물유와 알콜의 에스테르화 반응을 이용하여 점도를 기존의 광유 수준으로 낮출 수 있는 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 식물성 기름 및 알콜을 반응물로 하고 이 반응물을 촉매 존재하에서 반응시켜 식물성 절연유인 에스테르 물질을 생성한 후, 과량의 물과 석유에테르를 첨가하여 반응 생성물인 에스테르와 미반응 물질을 포함한 글리세롤 층으로 상분리가 쉽게 일어나 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있는 식물성 절연유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 식물성 절연유의 제조방법을 이루는 구성수단은, 변압기 등의 전력기기에 사용되는 식물성 절연유 제조 방법에 있어서, 식물성 기름과 저분자 알콜을 혼합하여 알칼리 촉매 하에서 에스테르화 반응을 시키는 단계, 상기 에스테르화 반응에 의하여 생성된 에스테르 물질과 글리세린을 상분리시키는 단계, 상기 상분리된 에스테르 물질을 증류시켜 잔존하는 알콜과 수분을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 식물성 기름과 저분자 알콜은 1 : 3 ~ 1 : 9의 몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하고, 상기 식물성 기름은 대두유, 유채유, 해바라기유, 팜유, 면실유, 동백유, 옥수수유 및 미강유 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 저분자 알콜은 프로판올, 이소프로필알콜, 부탄올 및 이소부틸알콜 중 어느 하나 또는 두개 이상이 혼합된 혼합물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 알칼리 촉매는 KOH, NaOH, LiOH 및 sodium alkoxide 중 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 알칼리 촉매는 상기 식물성 기름 중량에 대해 0.1% ~ 2.0% 만큼 첨가되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 에스테르화 반응은 40℃ ~ 90℃의 불활성 가스 분위기 하에서 200rpm ~ 10000rpm의 교반속도로 0.1 ~ 4시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에스테르 물질과 글리세린의 상분리는 물과 석유에테르를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

한편, 또 다른 본 발명은 상기 식물성 절연유의 제조방법을 이용하여 제조되는 식물성 절연유를 제공할 수 있다

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 식물성 절연유를 제조하는 방법에 대한 절차도를 보여준다. 이를 참조하여 식물성 절연유의 제조 방법을 설명한다.

먼저 식물성 기름과 저분자 알콜을 소정 비율로 혼합한다. 그리고, 혼합된 상기 식물성 기름과 저분자 알콜을 알칼리 촉매 하에서 에스테르화 반응을 진행시킨다(S10 ~ S20).

상기 식물성 기름과 저분자 알콜은 다양한 비율로 혼합시킬 수 있는데, 본 발명에서는 1 : 3 ~ 1 : 9의 몰비로 상기 식물성 기름과 저분자 알콜을 혼합시킨다.

상기 식물성 기름은 식물에서 얻을 수 있는 기름이면 무난하나, 본 발명에서는 대두유, 유채유, 해바라기유, 팜유, 면실유, 동백유, 옥수수유 및 미강유 중 어느 하나의 식물성 기름을 이용한다. 그리고, 상기 식물성 기름 중 어느 하나와 소정 비율로 혼합되는 저분자 알콜은 프로판올, 이소프로필알콜, 부탄올 및 이소부틸 알콜 중 어느 하나 또는 두개 이상이 혼합된 혼합물을 사용한다.

상기 혼합된 식물성 기름과 저분자 알콜에 첨가되는 촉매는 산 또는 알칼리 촉매일 수 있는 데, 본 발명에서는 알칼리 촉매를 사용한다. 즉, KOH, NaOH, LiOH, sodium alkoxide 중 어느 하나를 촉매로 사용하는 것이 바람직하다. 이 때 첨가되는 촉매는 상기 식물성 기름의 중량에 대해 0.1% ~ 2.0 % 만큼 첨가되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 식물성 기름과 저분자 알콜을 혼합하여 알칼리 촉매 하에서 에스테르화 반응을 진행시키는데, 이 에스테르화 반응은 40℃ ~ 90℃의 불활성 가스 분위기 하에서 200rpm ~ 10,000rpm의 교반속도로 0.1 ~ 4시간 동안 이루어진다.

상기와 같은 에스테르화 반응을 진행시키면, 에스테르 물질과 반응하지 않고 잔존하는 글리세롤 물질이 생성된다(S30). 그러면, 상기와 같이 생성된 에스테르 물질과 글리세린 물질에 대하여 상분리를 수행한다(S40). 상기 상분리는 과량의 물과 석유에테르를 상기 생성된 에스테르 물질과 글리세린 물질에 첨가하여 이루어진다. 그러면, 상기 에스테르 물질을 용이하게 분리하여 얻을 수 있다.

상기와 같은 상분리를 통해 얻어진 에스테르 물질에는 미량의 알콜과 수분이 포함되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 상분리된 에스테르 물질을 증류시켜 잔존하는 알콜과 수분을 제거시켜, 점성이 작아진 식물성 절연유로 사용되는 에스테르 물질을 최종적으로 얻을 수 있다(S50).

이와 같은 공정에 의하여 얻어진 식물성 절연유는 점성이 적당하고 광유보다 인화점이 높아 안전한 절연유로 사용될 수 있다.

식물성 절연유를 얻기 위한 에스테르화 반응을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

식물성 기름(트리글리세라이드)과 저분자 알콜로서 이소프로필알콜이 촉매 존재하에서 반응하면 하기의 반응식과 같이 에스테르물질인 식물성 절연유와 글리세린이 생성된다. 하기 반응식에서 R1, R2 및 R3는 탄소수가 C₁₂ ~ C₂₄인 알킬기이다.

에스테르화 반응후 반응의 정도는 TLC, GC 등을 통하여 공정검사를 하여 확인이 가능하다. 이때 발생하는 글리세롤 등의 분리가 공업적으로 가장 큰 문제이다. 염기 등의 부산물 제거를 위하여 산을 사용하였으며 미량의 사용으로 중화적정을 하였다.

본 발명에서 식물성 기름과 알콜의 에스테르화 반응이 종료되면, 과량의 물과 석유에테르를 첨가하여 반응 생성물인 에스테르와 미반응 물질을 포함한 글리세롤 층으로 상분리가 쉽게 일어나도록 한다. 즉, 상부는 에스테르 층, 하부는 글리세롤 층으로 상분리가 일어난다.

그런 다음, 상온으로 냉각하고 상층부의 에스테르를 회수하여 중화시킨 후 에스테르에 잔존할 수 있는 알콜과 수분을 제거하기 위하여 증류를 실시한다.

상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 식물성 절연유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 식물성 절연유에 의하면, 변압기와 같은 전력기기에 식물유를 그 자체 그대로 절연유로 사용할 때 발생하는 높은 점도 문제를 식물성 기름과 저분자 알콜의 에스테르화 반응 및 상분리를 통해 해결할 수 있는 장점이 있다.

또한, 기존의 광유의 경우 인화점이 150 ℃ 정도로 낮아 과부하시 폭발의 위험성을 내포하고 있으나 본 발명에 따른 식물성 절연유는 인화점이 300 ℃이상이 되기 때문에, 안정성이 뛰어난 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 식물성 절연유에 의하면, 해외의존도가 큰 기존의 석유계 절연유인 광유 및 합성유의 해외의존도를 낮추고, 환경 오염물질을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 전력기기에 사용되는 식물성 절연유 제조 방법에 있어서,

   식물성 기름과 저분자 알콜을 혼합하여 알칼리 촉매 하에서 에스테르화 반응을 시키는 단계;

   상기 에스테르화 반응에 의하여 생성된 에스테르 물질과 글리세린을 물과 석유에테르를 첨가하여 상분리시키는 단계;

   상기 상분리된 에스테르 물질을 증류시켜 잔존하는 알콜과 수분을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 식물성 절연유의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 식물성 기름과 저분자 알콜은 1 : 3 ~ 1 : 9의 몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 식물성 절연유의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 식물성 기름은 대두유, 유채유, 해바라기유, 팜유, 면실유, 동백유, 옥수수유 및 미강유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유의 제조방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 저분자 알콜은 프로판올, 이소프로필알콜, 부탄올 및 이소부틸알콜 중 어느 하나 또는 두개 이상이 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 알칼리 촉매는 KOH, NaOH, LiOH 및 sodium alkoxide 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 식물성 절연유의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 알칼리 촉매는 상기 식물성 기름 중량에 대해 0.1% ~ 2.0% 만큼 첨가되는 것을 특징으로 하는 식물성 절연유의 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 에스테르화 반응은 40℃ ~ 90℃의 불활성 가스 분위기 하에서 200rpm ~ 10000rpm의 교반속도로 0.1 ~ 4시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물성 절연유의 제조방법.
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