KR101939127B1 - 바이오 디젤 증류 장치 및 바이오 디젤 정제 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오 디젤 생산 공정에서 생성되는 바이오 디젤 원액을 증발시키는 증발기; 및 상기 증발기의 상부에 결합되어 상기 증발기로부터 배출되는 바이오 디젤 증기와 바이오 디젤 액적을 분리하는 기액분리기를 포함하고, 상기 증발기와 기액분리기는 별도의 연결 배관 없이 일체형으로 결합되는 것인 바이오 디젤 증류 장치, 및 상기 장치를 이용하여 바이오 디젤 원액으로부터 바이오 디젤을 정제하는 방법에 관한 것이다.

Description

바이오 디젤 증류 장치 및 바이오 디젤 정제 방법{A APPARATUS FOR DISTILLATION AND METHOD FOR PURIFICATION OF BIODIESEL}

본 발명은 바이오 디젤 생산 공정에서 생성되는 바이오 디젤 원액으로부터 바이오 디젤을 효과적으로 정제하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 상압에서 바이오 디젤(이하, 'BD'로 지칭되기도 함)은 300℃ 이상에서 끓지만, 300℃ 이상에서 바이오 디젤은 폴리머 형태로 변하여 특유의 성질을 상실한다. 증류 과정에서 바이오 디젤이 변성되는 것을 방지하기 위해 종래의 바이오 디젤 생산 공정에서는 절대압 기준 1 내지 2 토르 정도의 고진공으로 감압하고 약 200℃에서 바이오 디젤을 증류한다.

도 1은 종래의 방식으로 바이오 디젤을 증류하고 기체와 액체를 분리하기 위한 장치로서, 증발기(10)와 기액분리기(20)가 별도로 구비되어 있고, 증발기(10)와 기액분리기(20)가 연결 배관(30)을 통해 연결되어 있다. 따라서 증발기(10)에서 증발된 바이오 디젤 증기는 연결 배관(30)을 통해 기액분리기(20)로 이송되어, 바이오 디젤 증기는 기액분리기(20)의 상부로 배출되고, 바이오디젤 증기와 함께 증발되었던 바이오 디젤 액적은 기액분리기(20)의 하부에 모이게 된다.

연결 배관(30)을 통해 유입되는 액적에는 증류되어야 하는 바이오 디젤이 다량 함유되어 있어서 기액분리기(20)의 상부로 배출되는 바이오 디젤 증기량이 상대적으로 적어지므로 바이오 디젤 증류 효율이 낮아진다. 또한 증발기에서 증류된 바이오 디젤 증기는 연결 배관(30)을 통과하는 동안에 일부가 응축되어 기액분리기(20)의 하부로 모이게 되므로, 바이오 디젤 증류 수율이 낮아지는 결과를 초래한다.

그 외에도, 고진공 감압 조건에서 증류하는 경우 증발되는 바이오 디젤 증기의 밀도가 낮아지므로 증기가 통과하기 위한 연결 배관(30)의 단면적이 증가되어야 한다. 즉, 연결배관의 단면적이 충분히 크지 않으면 증발기(10)와 기액분리기(20)를 연결하는 연결 배관(30)에서의 바이오 디젤 증기 유속이 과다하여 압력 손실이 커지고, 이로 인해 바이오 디젤 증발기(10)의 진공도가 약화되고, 이는 최종적으로 수득되는 바이오 디젤 증기의 품질이 저하되는 문제를 야기한다.

나아가, 연 5만톤 생산 기준으로 바이오 디젤을 증류하려면 연결 배관(30)의 직경(D2)이 1500㎜ 이상이어야 하는데, 증발기(10)의 외경(D1)이 800㎜에 불과하기 때문에 연결 배관(30)과 증발기(10)를 연결하기 어려운 설계상의 문제가 있다. 즉, 연결 배관(30)에서의 유속을 감소시키려면 연결 배관(30)의 직경(D2)을 키워야 하지만, 이 경우 연결 배관(30)의 직경(D2)이 증발기(10)의 외경(D1)보다 커져서 증발기(10)의 제작이 불가능하게 되고, 연결 배관(30)의 직경(D2)을 증발기(10)의 외경(D1)에 맞추면 배관 내에서 초음속 유동이 발생하여 장치 자체에 손상을 초래할 우려가 있다. 반대로 증발기(10)를 연결 배관(30) 직경(D2)에 맞추면, 증발기(10)의 가열튜브의 길이가 작아져서 충분한 가열 시간을 확보할 수 없기 때문에 바이오 디젤 증류가 어려워진다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 바이오 디젤 생산 공정에서 생성되는 바이오 디젤 원액으로부터 바이오 디젤을 효과적으로 정제하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 가지 목적은 바이오 디젤 원액으로부터의 바이오 디젤 증류 효율을 향상시키고, 증류된 바이오 디젤 증기가 증류되지 않은 바이오 디젤 액적에 응축되는 것으로 인한 증류 수율 저하를 방지하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 가지 목적은 바이오 디젤 증발기와 기액분리기 사이의 압력 손실이 일어나지 않도록 하여 바이오 디젤 증발기의 진공도를 유지함으로써 최종적으로 수득되는 바이오 디젤 증기의 품질을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 가지 목적은 기액분리기의 하부에 모인 바이오 디젤 잔여액이 다시 증발되도록 함으로써 바이오 디젤 증류 수율을 향상시킴과 동시에 증류되지 않고 배출되는 잔여 바이오 디젤 액량 및 성분을 조절하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 가지 목적은 상기 방법에 적용할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 수단은 다음과 같다.

1. 증발기; 및 상기 증발기의 상부에 결합되어 상기 증발기로부터 배출되는 바이오 디젤 증기와 바이오 디젤 액적을 분리하는 기액분리기를 포함하고,

상기 증발기와 기액분리기는 별도의 연결 배관 없이 일체형으로 결합되는 것인 바이오 디젤 증류 장치.

2. 증발기 상부벽이 기액분리기의 내부에 위치하고, 상기 증발기 상부벽과 기액분리기 하단의 내주면 사이에 형성되는 하부 공간이 구비되는 것인 상기 1의 바이오 디젤 증류 장치.

3. 기액분리기 내부의 하단에 증발기의 직경보다 직경이 큰 격벽이 설치되고, 상기 격벽과 기액분리기 하단의 내주면 사이에 형성되는 하부 공간이 구비되는 것인 상기 1의 바이오 디젤 증류 장치.

4. 기액분리기의 외측에 가열 재킷이 구비되는 것인 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 바이오 디젤 증류 장치.

5. 가열 재킷은 기액분리기 외측 전체 또는 기액분리기의 하부 공간 외측에 구비되는 것인 상기 4의 바이오 디젤 증류 장치.

6. 하부 공간은 잔여 바이오 디젤액을 배출하기 위한 배출구를 더 구비하는 것인 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 바이오 디젤 증류 장치.

7. 기액분리기는, 증발기의 상부에 배치되어 상기 증발기로부터 상승하는 바이오 디젤 액적이 기액분리기의 상부로 이동하는 것을 방지하는 방해판을 더 구비하는 것인 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 바이오 디젤 증류 장치.

8. 기액분리기는 상부에 바이오 디젤 증기 배출구를 더 구비하는 것인 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 바이오 디젤 증류 장치.

9. 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 바이오 디젤 증류 장치를 이용하여,

바이오 디젤 원액으로부터 증류되는 바이오 디젤 증기를 증발기 상부의 배출구를 통해 배출시키고, 바이오 디젤 액적을 기액분리기의 하부 공간 또는 증발기에서 재가열하여 바이오 디젤을 다시 증발시키는 것을 포함하는 바이오 디젤 정제 방법.

10. 바이오 디젤 원액은 바이오 디젤 생산 공정의 생성물인 상기 9의 바이오 디젤 정제 방법.

11. 재가열에 의해서도 증발되지 않는 잔여 바이오 디젤액은 잔여액 배출구를 통해 기액분리기 외부로 배출시키는 것인 상기 9의 바이오 디젤 정제 방법.

12. 증류 시의 온도는 150 내지 210℃, 압력은 0.5 내지 14 토르 범위로 유지되는 것인 상기 9의 바이오 디젤 정제 방법.

13. 바이오 디젤 원액은 바이오 디젤, 메탄올, 물 및 글리세린을 포함하는 것인 상기 11의 바이오 디젤 정제 방법.

본 발명에 따라 바이오 디젤 생산 공정에서 생성되는 바이오 디젤 원액으로부터 바이오 디젤을 효과적으로 정제하기 위한 장치 및 방법이 제공되었다.

본 발명은 연결 배관에 의해 발생하는 압력손실을 배제하여 증발기의 진공도를 향상시킴으로써 우수한 품질의 바이오 디젤 증기를 생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기액분리기 하부에 모인 잔여 바이오 디젤액에 대해 추가 증류가 가능하여 바이오 디젤 증류 수율을 높이는 장점이 있다.

도 1은 종래의 바이오 디젤 증류 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 구체례에 따른 바이오 디젤 증류 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 한 가지 구체례에 따른 바이오 디젤 증류 장치를 도시한 도면이다.

본 발명은 바이오 디젤 생산 공정에서 생성되는 바이오 디젤 원액으로부터 바이오 디젤을 효과적으로 정제하기 위한 바이오 디젤 증류 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치는

증발기; 및 상기 증발기의 상부에 결합되어 상기 증발기로부터 배출되는 바이오 디젤 증기와 바이오 디젤 액적을 분리하는 기액분리기를 포함하고,

상기 증발기와 기액분리기는 별도의 연결 배관 없이 일체형으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치의 한 가지 구체례에 있어서, 상기 기액분리기의 상부에는 바이오 디젤 증기 배출구가 구비되고, 이를 통해 기액분리기의 하부에서 상승하는 바이오 디젤 증기가 외부로 배출될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치의 한 가지 구체례는 상기 증발기 상부벽이 기액분리기의 내부에 위치하고, 상기 기액분리기는 상기 증발기 상부벽과 기액분리기 하단의 내주면 사이에 형성되는 하부 공간을 더 구비하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치의 다른 한 가지 구체례는 상기 기액분리기 내부의 하단에 증발기의 직경보다 직경이 큰 격벽이 설치되고, 상기 격벽과 기액분리기 하단의 내주면 사이에 형성되는 하부 공간이 구비되는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치의 한 가지 구체례에 있어서, 상기 기액분리기의 외측에는 가열 재킷이 구비될 수 있으며, 상기 가열 재킷은 기액분리기 외측 전 또는 기액분리기의 하부 공간 외측에 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치의 다른 한 가지 구체례에 있어서, 상기 기액분리기의 내부에는 증발기의 상부에 배치되어 상기 증발기로부터 상승하는 바이오 디젤 액적이 기액분리기의 상부로 이동하는 것을 방지하는 방해판이 더 구비될 수 있다. 방해판에 의해 상부로의 이동이 차단된 바이오 디젤 액적은 기액분리기의 하부 공간 또는 증발기에서 재가열되고, 이에 의해 다시 증발된 바이오 디젤 증기가 기액분리기의 상부로 이동하여 외부로 배출됨으로써 바이오 디젤 증류 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치의 다른 한 가지 구체례에 있어서, 상기 하부 공간에는 재가열에 의해서도 증발되지 않고 잔류하는 잔여 바이오 디젤액을 배출하기 위한 배출구가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 관점은 상술한 바이오 디젤 증류 장치를 이용하여 바이오 디젤을 정제하는 방법에 관한 것으로서, 바이오 디젤 원액으로부터 증류되는 바이오 디젤 증기를 증발기 상부의 배출구를 통해 배출시키고, 바이오 디젤 액적은 재가열하여 다시 증발시키는 것을 포함한다. 상기 재가열은 기액분리기의 외측에 구비된 가열 재킷을 이용하여 기액분리기의 하부 공간에서 이루어질 수도 있고, 증발기에서 이루어질 수도 있다. 본 발명에서는 이와 같이 바이오 디젤 액적으로부터 바이오 디젤을 다시 증발시켜 바이오 디젤 증기를 추가로 수득함으로써 바이오 디젤 원액으로부터의 바이오 디젤 증류 수율과 순도를 동시에 높일 수 있다.

상기 바이오 디젤 원액은 바이오 디젤 생산 공정의 생성물, 바람직하게는 유지를 원료로 사용하는 바이오 디젤 생산 공정의 생성물, 더욱 바람직하게는 고산가 혹은 저산가 유지를 원료로 사용하는 바이오 디젤 생산 공정의 생성물일 수 있다. 상기 유지는 조리 과정이나 기타 산업 시설에서 배출되는 폐유지일 수도 있다.

바이오 디젤 생산 공정에서 생산되는 바이오 디젤 원액은 바이오 디젤이 메탄올, 물, 글리세린, 바이오 디젤로 전환되지 않은 유지, 증류되지 않는 잔류물(액상) 등과 혼합되어 있으므로, 증류 과정을 통해 바이오 디젤을 높은 순도와 효율로 분리하는 것이 중요하다. 증발기에서는 기체 상태의 바이오 디젤이 바이오 디젤 액적과 함께 기액분리기로 분출된다. 바이오 디젤 액적에는 메탄올, 물, 글리세린, 미반응 유지, 잔류물 등이 섞여 있을 수 있으므로, 본 발명에서는 바이오 디젤 증기와 함께 상승하는 바이오 디젤 액적을 재가열하여 다시 증발시켜 증류 효율을 향상시키고, 재가열에 의해서도 증발되지 않는 잔여 바이오 디젤액은 외부로 배출시킨다. 배출되는 잔여 바이오 디젤액은 2차 증류 장치로 이송하여 다시 증류하고, 2차 증류 장치에서 수득되는 순도가 낮은 바이오 디젤은 바이오 디젤 생산 공정으로 재순환시킬 수도 있다.

본 발명에서는 증류 시에 증발기 및 기액분리기 내부의 온도를 바람직하게는 150 내지 210℃의 범위로, 압력은 0.5 내지 14 토르 범위로 유지한다. 증류 장치 내부 온도가 210℃를 넘으면 바이오 디젤 원액이 폴리머 형태로 변화하기 때문에 바람직하지 않고, 150℃ 이하에서 증류하려면 압력을 0.5 토르 이하로 유지해야 하지만, 0.5 토르 이하의 진공도를 유지하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 바람직하지 않다.

이하, 도 2 및 3을 참고하여 본 발명의 구체례에 따른 바이오 디젤 증류 장치(100)를 설명한다. 도 2는 본 발명의 한 가지 구체례에 따른 바이오 디젤 증류 장치를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 바이오 디젤 증류 장치(100)는 증발기(110)와 증발기(110)의 상부에 결합되어 증발기(110)로부터 배출되는 바이오 디젤 증기 및 바이오 디젤 액적을 분리하는 기액분리기(120)를 포함한다.

구체적으로 증발기(110)는 상부벽(112)이 기액분리기(120)의 하부에 일체형으로 결합되며, 이때 기액분리기(120)의 상부벽(112)의 일부는 기액분리기(120)의 내부로 삽입된 형태를 이룬다.

기액분리기(120)의 내부에는 증발기(110)의 상부에 배치되는 방해판(124)이 구비된다. 방해판(124)은 증발기(110)로부터 분출되는 바이오 디젤 액적이 바이오 디젤 증기와 함께 기액분리기(120)의 상부로 이동하는 것을 방지한다.

기액분리기(120)는 증발기(110) 상부벽(112)과 기액분리기(120)의 내주면 사이에 형성되는 하부 공간(126)을 구비하는데, 증발기(110)에서 분출된 바이오 디젤 액적은 분출된 후 증발기(110)의 상부에 배치된 방해판(124)에 부딪힌 후 하부 공간(126)으로 떨어진다.

증발기(110)를 통해 증발된 바이오 디젤 증기는 방해판(124)을 우회하여 상승함으로써 기액분리기(120)의 상부에 구비된 바이오 디젤 증기 배출구(129)를 통해 기액분리기(120) 외부로 배출되어 수집된다.

본 발명의 한 가지 구체례에 따른 바이오 디젤 증류 장치(100)는 기액분리기(120)의 외측 하부에 배치되어 하부 공간(126)을 가열하는 가열 재킷(130)을 더 포함할 수 있다.

기액분리기(120)의 하부 공간(126)에 수용된 잔여 바이오 디젤액은 가열 재킷(130)에 의해 가열되어 추가로 증발될 수 있다. 이때, 가열 재킷(130)은 온도 조절이 가능한 형태로 구비되는 것이 바람직하며, 이를 통해 바이오 디젤 증류 수율 및 배출되는 잔여 바이오 디젤액의 양과 성분을 조절하는 것이 가능하게 된다.

기액분리기(120)의 하부 공간(126)에 모인 바이오 디젤 잔여액은 잔여액 배출구(128)를 통해 배출된 후 2차 증류 장치로 투입될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 한 가지 구체례에 따른 바이오 디젤 증류 장치를 도시한 도면이다.

도 3에 따르면, 본 발명에 따른 다른 한가지 구체례에 따른 바이오 디젤 증류 장치(100)에서는 증발기(110)와 기액분리기(120)가 일체형으로 결합되고, 기액분리기(120)의 내부의 하단에 증발기(110)의 직경보다 직경이 큰 격벽(140)이 설치된 형태를 이룬다. 이 경우 기액분리기(120)와 격벽(140) 사이에 하부 공간(126)이 구비되고, 기액분리기(120) 내부에는 증발기(110)의 상부에 배치되는 방해판(124)이 구비된다.

이에 따라 방해판(124)에 부딪혀 아래로 떨어지는 바이오 디젤 액적은 격벽(140)과 기액분리기(120) 사이에 구비된 하부 공간(126)에 모일 수도 있고, 증발기로 하강할 수도 있다. 따라서 하부 공간(126)에 모인 바이오 디젤 액적은 기액분리기(120)의 외측에 구비된 가열 재킷(130)에 의해 재가열되고, 증발기(110)로 떨어진 바이오 디젤 액적은 증발기(110)에 의해 재가열되어 추가로 증발될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 다양하게 변형된 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 증류 장치 110: 증발기
112: 상부벽 120: 기액분리기
124: 방해판 126: 하부 공간
128: 잔여액 배출구 129: 바이오 디젤 증기 배출구
130: 가열 재킷 140: 격벽

Claims (13)

1. 증발기; 및 상기 증발기의 상부에 결합되어 상기 증발기로부터 배출되는 바이오 디젤 증기와 바이오 디젤 액적을 분리하는 기액분리기를 포함하고,
   상기 증발기와 기액분리기는 별도의 연결 배관 없이 일체형으로 결합되는 것인 바이오 디젤 증류 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 증발기의 상부벽이 기액분리기의 내부에 위치하고,
   상기 기액분리기에는 상기 증발기 상부벽과 기액분리기 하단의 내주면 사이에 형성되는 하부 공간이 구비되는 것인 바이오 디젤 증류 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기액분리기 내부의 하단에 증발기의 직경보다 직경이 큰 격벽이 설치되고,
   상기 격벽과 기액분리기 하단의 내주면 사이에 형성되는 하부 공간이 구비되는 것인 바이오 디젤 증류 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기액분리기는 외측에 가열 재킷이 구비되는 것인 바이오 디젤 증류 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 가열 재킷은 기액분리기 외측 전체 또는 기액분리기의 하부 공간 외측에 구비되는 것인, 바이오 디젤 증류 장치.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 하부 공간은 증류되지 않은 잔여액을 배출하기 위한 배출구를 더 구비하는 것인, 바이오 디젤 증류 장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 기액분리기는 증발기의 상부에 배치되어 상기 증발기로부터 상승하는 바이오 디젤 액적이 기액분리기의 상부로 이동하는 것을 방지하는 방해판을 더 구비하는 것인, 바이오 디젤 증류 장치.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기액분리기는 상부에 바이오 디젤 증기 배출구를 더 구비하는 것인, 바이오 디젤 증류 장치.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 증류 장치를 이용하여,
   바이오 디젤 원액으로부터 증류되는 바이오 디젤 증기를 증발기 상부의 배출구를 통해 배출시키고, 바이오 디젤 액적을 기액분리기의 하부 공간 또는 증발기에서 재가열하여 바이오 디젤을 추가로 증발시키는 것을 포함하는 바이오 디젤 정제 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 바이오 디젤 원액은 바이오 디젤 생산 공정의 생성물인, 바이오 디젤 정제 방법.
11. 제9항에 있어서, 재가열에 의해서도 증발되지 않는 잔여 바이오 디젤액은 잔여액 배출구를 통해 기액분리기 외부로 배출시키는 것인 바이오 디젤 정제 방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 증류 시의 온도는 150 내지 210℃, 압력은 0.5 내지 14 토르 범위로 유지되는 것인 바이오 디젤 정제 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 바이오 디젤 원액은 바이오 디젤, 메탄올, 물 및 글리세린을 포함하는 것인 바이오 디젤 정제 방법.

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