KR20230174011A - 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치 - Google Patents
상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치에 관한 것으로서, 음폐유를 포함한 바이오매스 지방산의 에스테르화 공정시, 물의 기화 반응과 함께 지방산과 알코올의 에스테르화 공정이 상압조건에서 진행되어 압력조절을 위한 고가의 장치 및 설비가 요구되지 않고, 간단한 장치 구성으로부터 에스테르화 공정을 진행할 수 있는 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 원료를 수용할 수 있는 반응탱크와, 수용된 원료를 가열할 수 있는 히팅부를 포함하는 반응부; 알코올이 수용되는 알코올저장탱크와, 상기 알코올저장탱크에 수용된 알코올을 일정시간동안 정량으로 반응탱크에 공급하는 알코올정량공급펌프와, 상기 반응탱크 내부에 설치되며 알코올정량공급펌프로부터 공급되는 알코올을 반응탱크 안에서 분사하는 알코올공급노즐을 포함하는 알코올공급부; 일정 온도로 가열된 건증기를 생성하는 건증기생성부와, 상기 건증기생성부에서 발생한 건증기를 반응탱크로 이송하는 송풍부와, 상기 반응탱크 내부에 설치되며 송풍부를 통해 공급되는 건증기를 반응탱크 안에서 분사하여 고온의 버블을 형성하는 버블발생노즐을 포함하는 건증기공급부; 상기 반응탱크의 상부로부터 연결 설치되며, 에스테르화 반응을 위해 원료를 가열하는 과정에서 발생하는 수증기를 수집 응축하는 증류부; 상기 반응탱크로부터 배출된 에스테르 지방산에서 슬러지와 액상을 분리하는 것으로, 이물질을 여과하는 정제필터와, 정제필터로부터 여과된 순도 높은 액상만을 수용하는 정제탱크를 포함하는 정제부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 원료를 수용할 수 있는 반응탱크와, 수용된 원료를 가열할 수 있는 히팅부를 포함하는 반응부; 알코올이 수용되는 알코올저장탱크와, 상기 알코올저장탱크에 수용된 알코올을 일정시간동안 정량으로 반응탱크에 공급하는 알코올정량공급펌프와, 상기 반응탱크 내부에 설치되며 알코올정량공급펌프로부터 공급되는 알코올을 반응탱크 안에서 분사하는 알코올공급노즐을 포함하는 알코올공급부; 일정 온도로 가열된 건증기를 생성하는 건증기생성부와, 상기 건증기생성부에서 발생한 건증기를 반응탱크로 이송하는 송풍부와, 상기 반응탱크 내부에 설치되며 송풍부를 통해 공급되는 건증기를 반응탱크 안에서 분사하여 고온의 버블을 형성하는 버블발생노즐을 포함하는 건증기공급부; 상기 반응탱크의 상부로부터 연결 설치되며, 에스테르화 반응을 위해 원료를 가열하는 과정에서 발생하는 수증기를 수집 응축하는 증류부; 상기 반응탱크로부터 배출된 에스테르 지방산에서 슬러지와 액상을 분리하는 것으로, 이물질을 여과하는 정제필터와, 정제필터로부터 여과된 순도 높은 액상만을 수용하는 정제탱크를 포함하는 정제부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리지방산을 함유한 음폐유(Food waste oil)와 저급알코올의 에스테르화 공정이 상압조건에서 저렴한 설비를 활용하여 제조할 수 있도록 한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 바이오디젤은 식물성유지(vegetable oil)나 동물성지방(animal fat)의 주성분인 트리글리세라이드(triglyceride)를 알코올과 에스테르교환반응(trans-esterification)시켜 알킬에스테르(alkyl ester)의 형태로 전환시킨 경유 대체 물질이다. 세탄가, 열량, 점도 및 상변화 특성 등이 석유에서 정제된 디젤유와 매우 유사하며 독특한 윤활성 때문에 기존 디젤유의 첨가용 또는 대체용으로 이용되고 있다. 바이오디젤은 유황의 함량이 낮아 내연기관에서 연소될 경우 기존 디젤유보다 황산화물이 적게 발생할 뿐만 아니라 분진, 미연 탄화수소 및 일산화탄소의 발생이 기존 디젤유보다 훨씬 적다는 장점을 지니고 있다.
바이오디젤은 아래 표에서와 같이 동식물성유지에 알코올을 첨가하고 염기촉매(KOH, NaOH, 알칼리금속알콕사이드 등)를 이용하여 에스테르교환반응(trans-esterification)시켜 생성되는 지방산알킬틸에스테르인데, 이때 부산물로 글리세린도 함께 생성된다.
현재 바이오디젤은 대부분 식물성유지(유채유, 대두유, 팜유, 폐유지 등)를 원료로 사용하며 총 생산 비중 원료비의 비중이 높을 뿐만 아니라 식물성유지의 식품시장에서의 수요에 따라 원료 수급이 원활치 못한 문제점이 있다. 이러한 원료의 수급 불안정성과 고비용 문제를 해결하기 위해 식용으로 사용이 어려운 폐유지나 팜유부산물(palm fatty acid distillate, PFAD; palm acid oil, PAO), 고산가조팜유(High FFA CPO), 다크오일(dark oil), 회수글리세린 분리유분(Free Fatty Acids from biodiesel glycerin acidulation)과 같은 산가가 높은 저급 유지를 바이오디젤 생산원료로 활용하려는 공정개발이 활발히 진행되고 있다.
그러나 이들 저급 유지에는 유지(triglyceride) 뿐 아니라 이들이 분해된 유리지방산(free fatty acid), 글리세린, monoglyceride, diglyceride이 존재하는데, 유리지방산이 함량이 많기 때문에 산가(acid value)가 매우 높다. 유지의 산가(Acid Value)란 유지 1g 중에 함유되어 있는 유리지방산을 중화시키는 데에 필요한 KOH의 mg수를 의미한다. 이처럼 산가가 높은 원료를 이용하여 기존 염기촉매 방식을 사용하게 되면 촉매와 유리지방산의 비누화 반응으로 인하여 바이오 오일의 손실과 복잡한 분리 공정 등으로 반응공정 효율이 낮아져 상업성을 확보하기 어려울 뿐만 아니라 심할 경우 공정 자체가 불가능하게 되는 경우도 있는 것으로 알려져 있다.
바이오디젤을 제조하기 위해서는 일반적으로 트리글리세리드(Triglyceride) 형태의 동식물성 오일을 원료로 사용하고 있으나, 이들 원료에 유리 지방산이 함유되어 있는 경우 반응 효율을 향상시키고, 지방산알킬에스테르의 품질을 향상시키기 위한 몇 가지 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 유럽특허공개 127104A호, 유럽특허공개 184740A호, 미국특허 4,164,506호 등에는, 오일 중의 유리 지방산을 먼저 에스테르화 반응시킨 다음, 오일을 에스테르교환 반응시키는 2단계 방법이 개시되어 있다. 이들 방법에서는, 황산 또는 술폰산 촉매 하에, 65 ℃ 정도의 온도에서, 지방산 및 지방산 트리글리세리드의 혼합물과 메탄올을 반응시켜 에스테르화 반응을 수행한다. 유럽특허공개 708813A호에는, 유지로부터 지방산알킬에스테르의 수율을 향상시키기 위한 방법으로서, 에스테르교환 반응에 의해 생성된 글리세린 상으로부터 유리 지방산을 분리한 다음, 분리된 유리 지방산을 에스테르화하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 글리세린 상의 중화로부터 얻은 유리 지방산을, 진한 황산 촉매 하에, 85 ℃ 정도의 온도에서 2시간 동안 반응시켜, 지방산의 함량을 50%에서 12%까지 감소시켰다.
또한, 미국특허공개 2011/0144375호, Bioresource Technology 102(2011, 2380-2386) 등에는, 세라믹의 존재 하에서, 유리 지방산, 지방 및 오일의 혼합물을 알코올과 반응시켜, 에스테르화 및 에스테르교환 반응을 동시에 수행함으로써, 지방산알킬에스테르의 수율을 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법에 있어서는, 촉매의 투입량이 과다하고, 에스테르화 반응에서 생성되는 물과 에스테르교환 반응에서 생성되는 글리세린이 반응계 외부로 효과적으로 배출되지 못하여, 반응 전환율이 낮을 뿐만 아니라, 제조된 지방산알킬에스테르를 바이오디젤 용도로 사용하기 위해서는, 중화, 여과, 세척, 증류 등의 복잡한 공정이 수행되어야 한다. 또한, 미국특허 6,855,838호, 미국특허 7,795,460 등에는, 유리 지방산, 지방 및 오일의 혼합물을 먼저 지방산으로 전환시키고, 전환된 지방산을 에스테르화하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법에 있어서는, 황산 또는 고체산 촉매의 존재 하에서, 수첨 이탈 반응에 의해, 지방, 오일 등의 혼합물을 지방산으로 전환시키고, 황산 또는 이온교환수지의 존재 하에서, 전환된 지방산을 에스테르화 반응시킨다.
그 외에, 한국특허공개 2004-0101446호 및 국제공개 WO 2003/087278호에는, 반응기에 동적 난류를 일으키는 기계적 장치나 초음파를 이용하여, 지방산의 에스테르화 반응 효율을 높이는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 황산 또는 이온교환수지를 촉매로 하여, 고압 및 고온 조건에서 지방산 또는 유지에 함유된 지방산과 알코올을 에스테르화 반응시킨다. 또한, 한국특허공개 2004-87625호에는 고체산 촉매를 이용하여, 폐식용유로부터 유리지방산을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법들은 공통적으로 황산 등의 강한 산성 촉매를 사용하는데, 이와 같은 산촉매는 반응 후 완전히 제거되지 않으면 바이오디젤의 품질을 저하시키므로, 중화, 여과, 세척 등의 복잡한 공정을 수행하여야 할 뿐 만 아니라, 반응기가 내부식성 재질로 이루어져야 하므로, 제조장치의 설비비가 증가하는 단점이 있다. 한편, 고체산의 경우 촉매의 수명이 짧고, 이를 재생하는데 많은 비용이 소요되기도 한다.
바이오디젤 제조방법에 관해 종래에 개시된 등록특허 10-1294926호에 의하면, 유지를 함유하는 동.식물로부터 착유한 동,식물성 유지에 메탄올과 산 촉매를 첨가하고 전처리 반응시키는 단계와, 전처리 반응이 완료된 후 상층에 존재하는 메탄올과 산 촉매의 혼합용액 및 하층에 존재하는 전처리 유지를 분리시키는 단계 및 분리된 메탄올과 산 촉매의 혼합용액를 기화기에 공급하고 200~800 밀리바(mbar)의 압력 조건 및 30~75℃의 온도 조건에서 가열하여 기화시킨 후, 기화 물을 -6~6℃의 온도로 유지된 하나 이상의 응축기에 통과시켜 수분 함량이 2중량% 미만인 메탄올 응축물을 얻는 단계를 포함하는 기술이 공개된 바 있다. 하지만, 이와 같은 제조장치는 압력조절이 가능해야하기에 고가의 설비가 요구되며 이는 제조원가 상승의 원인이되는 문제가 있다.
바이오디젤 제조를 위한 원재료는 다양한 바이오매스 지방산이 활용되고 있으며, 최근에는 버려지는 음식물로부터 채취한 음폐유(Food waste oil)를 바이오디젤 제조를 위한 원재료로 사용하기 위한 노력이 이어지고 있다. 또한, 음폐유에는 다량의 수분과 함께 유리지방산이 함유되어 있으며, 원재료에서 용이하게 수분을 제거하는 방법은 매우 중요한 공정에 해당된다.
음폐유를 포함한 바이오매스 지방산에서 알코올을 이용한 에스테르화 공정에서는 지방산을 가열하는 조건이 요구되고, 이때 반응과정에서 발생하는 물을 함께 제거하려면 반응기의 압력을 높이는 공정 및 이에 따른 장치와 설비가 요구되었다. 이는 알코올의 끓는점이 물의 끓는점보다 낮아서 수분을 제거하고자 반응기의 온도를 높이면 가열과정에서 알코올이 먼저 증발하는 이유로 상압조건에서는 반응을 진행할 수 없었고, 알코올의 끓는점 이하인 80℃ 이하에서 압력을 높이는 방식으로 에스테르 반응을 진행하였다. 또한, 이러한 과정에서 황산 등의 강한 산성 촉매가 사용되었는데, 이는 수세공정 등 부가적인 공정이 필요하거나, 장치의 부식방지를 위한 노력이 요구되었고, 알코올을 다량 사용하는 기존 방식은 다량의 폐기물이 증가하는 문제점도 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 음폐유를 포함한 바이오매스 지방산의 에스테르화 공정시, 물의 기화 반응과 함께 지방산과 알코올의 에스테르화 공정이 상압조건에서 진행되어 압력조절을 위한 고가의 장치 및 설비가 요구되지 않고, 간단한 장치 구성으로부터 에스테르화 공정을 진행할 수 있는 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 원료를 수용할 수 있는 반응탱크와, 수용된 원료를 가열할 수 있는 히팅부를 포함하는 반응부; 알코올이 수용되는 알코올저장탱크와, 상기 알코올저장탱크에 수용된 알코올을 일정시간동안 정량으로 반응탱크에 공급하는 알코올정량공급펌프와, 상기 반응탱크 내부에 설치되며 알코올정량공급펌프로부터 공급되는 알코올을 반응탱크 안에서 분사하는 알코올공급노즐을 포함하는 알코올공급부; 일정 온도로 가열된 건증기를 생성하는 건증기생성부와, 상기 건증기생성부에서 발생한 건증기를 반응탱크로 이송하는 송풍부와, 상기 반응탱크 내부에 설치되며 송풍부를 통해 공급되는 건증기를 반응탱크 안에서 분사하여 고온의 버블을 형성하는 버블발생노즐을 포함하는 건증기공급부; 상기 반응탱크의 상부로부터 연결 설치되며, 에스테르화 반응을 위해 원료를 가열하는 과정에서 발생하는 수증기를 수집 응축 후 연속으로 고순도 알코올을 회수 하는 증류부; 를 포함하여 구성한다.
본 발명에 따른 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치에 의하면, 상압조건에서 에스테르화 공정이 진행되기에 고압설비 및 내압기능을 갖춘 반응탱크가 요구되지 않아 설비 구성이 간소화되고, 이에 따른 반응기의 설치비용 및 유지보수 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 지방산 원료가 수용된 반응기에는 고온의 건증기가 지속적으로 투입되면서 지방산 원료의 온도상승과 함께 고온의 건증기 버블이 지방산 원료에 유동성을 발생시킬 수 있으며, 이는 별도의 교반장치가 없어도 지방산 원료가 충분히 혼합될 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 알코올은 반응기 하부에서 정량이 지속적으로 공급되는 구조로부터, 알코올이 투입 과정에서 기화되는 손실 없이 온전한 반응이 이루어지는 효과도 있다.
또한, 안정적인 조건에서 천천히 반응시키는 에스테르 공정을 통해 유지의 산가를 낮추고, 고품질 바이오매스 지방산 에스테르 제품을 생산하는 효과도 있으며, 음폐유 원료 이용 및 알코올이 함유된 폐수로부터 알코올을 정류 후 재사용하는 공정 등은 환경오염을 줄일 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치를 나타낸 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.
발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 음폐유 등 유리지방산을 함유한 고산가 바이오매스 지방산을 상압조건에서 저급알코올을 이용하여 물의 기화반응과 함께 지방산과 알코올의 에스테르화 공정을 진행할 수 있도록 한 바이오매스 지방산 에스테르화 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치를 나타낸 전체 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 음폐유 에스테르화 장치는, 반응부(100)와, 알코올공급부(200)와, 건증기공급부(300)와, 증류부(400)와, 정제부(500)를 포함한다.
반응부(100)는 음폐유를 포함한 바이오매스 지방산 원료에 대한 에스테르화 반응이 진행되는 것으로, 원료를 수용할 수 있는 반응탱크(110)와, 수용된 원료를 가열할 수 있는 히팅부(120)를 포함한다.
상기 반응탱크(110)는 내측에 공간부를 형성하여 에스테르화 반응을 위한 지방산 원료, 촉매, 알코올 등이 수용되고, 상부는 가열과정에서 발생하는 수증기를 후처리하는 증류부(400)와 연결되며, 하부는 알코올공급부(200) 및 건증기공급부(300)와 각각 연결되어 외부에서 알코올 및 건증기를 공급받도록 구성한다.
바람직하게, 상기 에스테르화 반응을 위한 지방산 원료는 슬러지가 제거된 음폐유(Food waste oil) 등 각종 바이오매스 지방산을 사용하고, 반응부(100)에서 에스테르 공정을 마친 결과물은 바이오디젤원료유 및 바이오 중유의 원재료로 사용한다.
히팅부(120)는 반응탱크(110) 내부에 설치되어 반응탱크(110)에 수용되는 각종 원료를 가열하는 것으로, 에스테르화 반응 중 발생하는 각종 수분을 증발시키기 위해 물의 끓는점 보다 높은 100℃ 이상으로 원료를 가열 동작하며, 바람직하게는 100 내지 200℃ 범위로 가열 동작한다. 만약, 히팅부(120)에 의한 원료의 가열조건이 100℃ 이하에 해당되면 압력 조절 기능이 없는 반응탱크(110)에서는 물의 끓는점을 도달하지 못해 수분 증발 및 에스테르화 반응이 진행되지 않으며, 히팅부(120)에 의한 원료의 가열조건이 200℃ 를 초과하면 에너지 투입량에 비해 생산성이 월등히 나아지지 않기에 바람직하지 않다.
알코올공급부(200) 알코올 재료를 수용한 후 시간조건 및 정량조건에 따라 상기 반응탱크(110)에 알코올을 지속적으로 공급할 수 있도록 구성된 것으로, 알코올이 수용되는 알코올저장탱크(210)와, 상기 알코올저장탱크(210)에 수용된 알코올을 일정시간동안 정량으로 반응탱크(110)에 공급하는 알코올정량공급펌프(220)와, 상기 반응탱크(110) 내부에 설치되며 알코올정량공급펌프(220)로부터 공급되는 알코올을 반응탱크(110) 안에서 분사하는 알코올공급노즐(230)을 포함한다.
바람직하게, 알코올공급노즐(230)은 반응탱크(110)의 내부 하측에 배치되어 다방향으로 알코올을 분사할 수 있도록 구성되는 것으로, 이는 100℃ 이상으로 가열된 바이오매스 지방산에 알코올을 투입하는 과정에서 끓는점이 낮은 알코올은 에스테르 반응 전에 기화되어 증발할 수 있으므로, 본 발명은 반응탱크(110)에 수용된 지방산 원료 속에서 알코올이 분사되어 에스테르 반응 전 알코올이 기화되는 손실없이 투입 알코올 전량이 에스테르화 될 수 있도록 한 것이다.
건증기공급부(300)는 일정 온도로 가열된 건증기를 생성하는 건증기생성부(310)와, 상기 건증기생성부(310)에서 발생한 건증기를 반응탱크(110)로 이송하는 송풍부(320)와, 상기 반응탱크(110) 내부에 설치되며 송풍부(320)를 통해 공급되는 건증기를 반응탱크(110) 안에서 분사하여 고온의 버블을 형성하는 버블발생노즐(330)을 포함한다.
바람직하게, 상기 건증기생성부(310)에서는 열을 생성하는 것으로, 반응부(100)에서 요구되는 100 내지 300℃로 가열된 열을 생성하며, 더욱 바람직하게는 180 내지 240℃ 온도범위를 갖는 열을 생성한다. 이러한 온도범위는 반응탱크(110)에서 압력조절 없이 수용된 원료의 수분 증발과 에스테르 반응이 진행될 수 있는 조건이다.
상기 버블발생노즐(330)은 반응탱크(110)의 내부 하측에 배치되고 다수의 가스 배출용 통공이 형성된 것으로, 이는 건증기가 액상 원료 속에서 배출되면서 고온의 버블을 형성하고, 이러한 고온 버블은 지방산 원료에 대한 온도상승으로 에스테르 반응을 촉진시키면서 지방산 원료에 유동성을 부여하여 별도의 교반장치가 없어도 충분한 원료 혼합 효과를 제공한다.
증류부(400)는 상기 반응탱크(110)의 상부에 연결 설치되며 에스테르화 반응을 위해 지방산 원료, 촉매, 알코올 등을 가열하는 과정에서 발생하는 수증기를 수집 응축한다. 보다 상세하게, 상기 증류부(400)는 수분을 응축하는 제1증류부(410)와, 알코올을 응축하는 제2증류부(420)를 포함하여 구성된다.
제1증류부(410)는 반응탱크(110) 상부로부터 연결되며 수분응축기(411) 및 응축수저장탱크(412)를 포함한다. 이러한 구성은 반응탱크(110) 내부에 수용된 원료가 물의 끓는점 100℃ 이상으로 가열시 발생하는 수증기를 수분응축기(411)에서 냉각 및 응축하는 것이며, 이 과정에서 발생한 응축수는 응축수저장탱크(412)에 수용된다.
제2증류부(420)는 상기 제1증류부(410)에서 발생한 응축수에서 다시 정류공정을 거쳐 미반응된 알코올을 회수하는 것으로, 제1증류부(410)에서 발생한 응축수를 가열 증류하는 증류탱크(421)와, 상기 증류탱크(421)에서 발생한 기화된 알코올을 수집하는 것으로 내부에 응축을 위한 격벽이 형성된 칼럼(422)과, 상기 칼럼(422)과 연결되며 고온의 증기를 냉각하면서 응축시키는 알코올응축기(423)와, 상기 칼럼(422) 또는 알코올응축기(423)로부터 수집된 미반응 알코올을 저장하는 알코올회수탱크(424)를 포함한다. 이때, 알코올회수탱크(424)에 수집된 미반응 회수 알코올은 이후 알코올저장탱크(210)로 이송되어 재사용한다.
정제부(500)는 상기 반응탱크(110)로부터 배출된 에스테르 지방산에서 슬러지와 액상을 분리하는 것으로, 정제필터(510)를 포함하는 구성을 통해 슬러지 등 이물질을 여과한 후 폐기하고 액상만을 분리하며, 정제탱크(520)를 포함하는 구성을 통해 정제필터(510)로부터 여과된 순도 높은 액상의 에스테르 지방산을 분리 저장한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 음폐유 에스테르화 방법은, 지방산 원료 전처리(S10) → 촉매혼합(S20) → 상압가열(S30) → 에스테르화(S40) 과정을 포함한다.
지방산 원료 전처리(S10)는 다양한 형태의 고산가 지방산 원료에 대해 이물질을 제거한 후 에스테르화 할 수 있는 원료상태로 준비하는 것으로, 지방산 원료는 유리지방산을 함유하고 있는 동·식물성 유지를 사용하거나, 슬러지가 제거된 음폐유 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 지방산 원료 및 유지란 지방산 에스테르 물질로서, 트리글리세라이드 및 유리지방산을 함유한 동·식물성 유래 오일, 폐식용유, 동·식물성 오일에서 유래된 증류 물질인 유리지방산(PFAD), 또는 이들의 혼합물을 의미한다. 본 발명에서 사용되는 지방산 원료 및 유지 원료는 알코올과 반응하여 에스테르화반응 및 전이에스테르화반응을 일으킨다.
또한, 지방산 원료는 방향족 지방산류 중에 수첨로진(Hydrogenated rosin), 불균화로진(Disproportionated rosin), 검로진(Gum rosin) 등을 적용할 수도 있다.
또한, 지방산 원료는 액체 및 고체 중 특정 형상에 한정되지 않고 폭 넓은 적용이 가능하다. 다만, 이물질이 혼합된 액상의 경우 원심분리 또는 침전분리 과정을 통해 슬러지 이물질은 제거 후 액상만을 사용하는 것이 바람직하며, 액상의 지방산이 경화되어 고체 형상을 띄더라도 가열과정에서 액체로 상변환이 진행되기에 사용하는데 문제되지 않는다.
촉매혼합(S20) 과정은 지방산 원료에 촉매를 혼합하여 촉매 혼합 지방산 원료를 획득하는 것으로, 지방산 원료 100중량부 대비 촉매는 0.2 내지 1.0중량부를 첨가 혼합한다.
에스테르 반응을 위해 지방산 원료에 첨가되는 촉매로는 황산, 염산, 클로로설폰산, p-TSA(파라 톨루엔설폰산), MSA(메 탄설폰산) 중 어느 하나를 이용할 수 있으나, 바람직하게, 상기 촉매는 약산성 범위에 해당하는 p-TSA(파라 톨루엔설폰산)을 적용하는 것을 특징으로 한다. 이는 통상적으로 사용하는 강산성 범위의 촉매(황산, 염산 등)를 사용하지 않기에 이후 세수공정이 요구되지 않으며, 장비의 부식 우려가 없고 안정적인 제조공정이 가능하다.
상압가열(S30) 과정은 촉매 혼합 지방산 원료를 상압조건에서 수분을 증발시킬 수 있는 온도 이상으로 가열하는 것으로, 촉매 혼합 지방산 원료를 100 내지 200℃ 온도로 가열하고, 바람직하게는 150 내지 170℃ 온도로 가열한다.
이때, 온도조건이 100℃ 미만으로 가열되면 촉매 혼합 지방산 원료에 포함되거나 반응 과정에서 발생하는 물의 끓는점에 도달하지 못하여 수분 증발이 이루어지지 않아 바람직하지 않고, 온도조건이 150℃ 미만에서 진행되면 에스테르 반응속도가 느려서 생산성이 떨어지기에 바람직하지 않다.
또한, 온도조건이 170℃를 초과하여 가열되면 온도 증가에 따른 에스테르 반응속도가 현저하게 나아지지 않으며, 200℃를 초과하여 가열되면 온도 증가에 따른 에스테르 반응속도 변화가 나아지지 않고, 에너지 소비량만 증가하여 생산성 저하 및 생산원가 상승 등으로 경제성이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 않다.
촉매 혼합 지방산 원료의 상압가열(S30) 과정은 수분 증발의 목적과 알코올과의 반응을 위한 준비과정이라 할 수 있으며, 이는 반응부(100)에서 가열과 에스테르 과정이 동시에 진행되는 1단계 공정으로 구성될 수도 있으나, 촉매 혼합 지방산 원료를 예열탱크에서 먼저 예열시킨 후 일정 온도에 도달한 촉매 혼합 지방산 원료를 반응부(100)로 이송 투입하면서 바로 에스테르 반응이 진행되도록 하는 2단계 공정으로 구성할 수도 있다.
상기 상압가열(S30) 과정에서 반응부(100)에 투입된 촉매 혼합 지방산 원료를 가열하는 방법은 반응부(100)에 형성된 히팅부(120) 자체 열원과, 반응탱크(110) 하부에서 가열된 건증기를 공급하는 방식이 적용되며, 보다 상세하게 100 내지 300℃로 가열된 건증기를 추가 투입할 수 있고, 바람직하게는 180 내지 240℃로 가열된 건증기를 반응탱크(110) 하부를 통해 촉매 혼합 지방산 원료에 직접 공급한다. 이때, 가열된 건증기는 질소 등의 불활성가스가 적용될 수 있으며, 가열된 건증기가 촉매 혼합 지방산 원료속으로 투입되면서 가열된 버블이 형성되고, 이는 반응부(100) 내부 원료에 대한 온도상승으로 에스테르 반응 촉진과 함께 버블은 원료를 섞어주는 교반성능과 동일한 효과도 제공한다.
에스테르화(S40) 과정은 반응부(100)에서 가열된 촉매 혼합 지방산 원료에 알코올을 일정하게 투입하면서 에스테르 반응이 진행되도록 한 것으로, 지방산 원료 100중량부 대비 알코올은 4 내지 6중량부를 첨가 혼합한다.
이때, 알코올의 투입량이 상기 범위를 벗어나 부족하게 투입되면 반응속도 및 반응수율 등이 저하되어 바람직하지 않고, 알코올의 투입량이 상기 범위를 벗어나 많이 투입되면 반응속도 대비 경제성이 떨어지고, 폐수 증가 및 알코올이 혼합된 폐수를 회수 후 재처리하는 후공정에 많은 시설과 비용이 소모되는 문제점이 있어 좋지 못하다.
바람직하게, 상기 알코올은 저급알코올 중 메탄올 또는 에탄올을 사용할 수 있으며, 알코올의 투입 방법은 전체 반응시간에 맞춰 알코올 공급량을 분할하여 소량을 일정하게 분사하는 연속분사 방식을 적용할 수 있다. 이때, 알코올의 투입 방법은 반응부(100) 하부에서 노즐을 통해 분사 투입시킬 수 있으며, 이 과정을 통해 가열된 촉매 혼합 지방산 원료에 알코올이 혼합되면서 에스테르 반응이 진행된다.
종래의 지방산 에스테르화 반응은, 통상 100℃ 미만의 저온에서 실시되는데 이는 알코올의 끓는점이 낮기 때문이다. 하지만, 반응 중 생성되는 물은 끓는점에 도달하지 못하여 반응과정에서 제거되지 못하는데, 이를 해결하기 위해 기존에는 반응부(100)의 압력을 고압으로 제어할 수 있는 장치적 개선을 적용하였다. 하지만, 고가의 장치 개선은 생산비용 증가에 따른 경제성이 낮아지고, 고온 고압탱크는 안전사고 방지를 위한 관리 및 유지보수가 요구되었으며, 반응부(100) 고압탱크의 대형화 및 증설에는 비용이 크게 증가하여 생산량의 한계가 있었다.
반면, 본 발명은 상압조건에서 물의 끓는점 이상으로 지방산을 가열하기에 수분이 기화되어 제거될 수 있으며, 알코올은 가열된 지방산 내부로 소량이 일정하게 연속 투입되면서 지방산과 알코올에 대한 에스테르 반응도 진행될 수 있다.
특히, 본 발명은 모든 공정이 상압조건에서 진행되기에 압력을 발생시키기 위한 고압설비가 요구되지 않으며, 반응부(100)도 압력에 대응할 수 있는 내압설비가 요구되지 않기에 반응부(100) 탱크의 설비 구성이 간단하다는 특징이 있다. 이는 장치 비용을 크게 절감하여 생산원가를 감소시킬 수 있으며, 반응부(100) 탱크의 대형화 및 생산설비 증대가 용이하여 생산량 및 생산성 향상이 가능하다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
100 : 반응부
110 : 반응탱크
120 : 히팅부
200 : 알코올공급부
210 : 알코올저장탱크
220 : 알코올정량공급펌프
230 : 알코올공급노즐
300 : 건증기공급부
310 : 건증기생성부
320 : 송풍부
330 : 버블발생노즐
400 : 증류부
410 : 제1증류부
411 : 수분응축기
412 : 응축수저장탱크
420 : 제2증류부
421 : 증류탱크
422 : 칼럼
423 : 알코올응축기
424 : 알코올회수탱크
500 : 정제부
510 : 정제필터
520 : 정제탱크
110 : 반응탱크
120 : 히팅부
200 : 알코올공급부
210 : 알코올저장탱크
220 : 알코올정량공급펌프
230 : 알코올공급노즐
300 : 건증기공급부
310 : 건증기생성부
320 : 송풍부
330 : 버블발생노즐
400 : 증류부
410 : 제1증류부
411 : 수분응축기
412 : 응축수저장탱크
420 : 제2증류부
421 : 증류탱크
422 : 칼럼
423 : 알코올응축기
424 : 알코올회수탱크
500 : 정제부
510 : 정제필터
520 : 정제탱크
Claims (2)
- 원료를 수용할 수 있는 반응탱크(110)와, 수용된 원료를 가열할 수 있는 히팅부(120)를 포함하는 반응부(100);
알코올이 수용되는 알코올저장탱크(210)와, 상기 알코올저장탱크(210)에 수용된 알코올을 일정시간동안 정량으로 반응탱크(110)에 공급하는 알코올정량공급펌프(220)와, 상기 반응탱크(110) 내부에 설치되며 알코올정량공급펌프(220)로부터 공급되는 알코올을 반응탱크(110) 안에서 분사하는 알코올공급노즐(230)을 포함하는 알코올공급부(200);
일정 온도로 가열된 건증기를 생성하는 건증기생성부(310)와, 상기 건증기생성부(310)에서 발생한 건증기를 반응탱크(110)로 이송하는 송풍부(320)와, 상기 반응탱크(110) 내부에 설치되며 송풍부(320)를 통해 공급되는 건증기를 반응탱크(110) 안에서 분사하여 고온의 버블을 형성하는 버블발생노즐(330)을 포함하는 건증기공급부(300);
상기 반응탱크(110)의 상부로부터 연결 설치되며, 에스테르화 반응을 위해 원료를 가열하는 과정에서 발생하는 수증기를 수집 응축 후 연속으로 고순도 알코올을 회수 하는 증류부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 증류부(400)는, 수분을 응축하는 제1증류부(410)와, 미반응된 알코올을 응축 회수하는 제2증류부(420)를 포함하는 것으로,
제1증류부(410)는 반응탱크(110) 상부로부터 연결되어 수증기를 응축하는 수분응축기(411)와, 상기 수분응축기(411)에서 발생한 응축수를 저장하는 응축수저장탱크(412)를 포함하고,
제2증류부(420)는 제1증류부(410)에서 발생한 응축수를 가열 증류하는 증류탱크(421)와, 상기 증류탱크(421)에서 발생한 기화된 알코올을 수집하는 것으로 내부에 다수의 격벽이 형성된 칼럼(422)과, 상기 칼럼(422)과 연결되며 고온의 증기를 냉각 응축시키는 알코올응축기(423)와, 상기 칼럼(422) 또는 알코올응축기(423)로부터 수집된 미반응 알코올을 저장하는 알코올회수탱크(424)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220074955A KR20230174011A (ko) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220074955A KR20230174011A (ko) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230174011A true KR20230174011A (ko) | 2023-12-27 |
Family
ID=89378345
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220074955A KR20230174011A (ko) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 상압조건에서 저급알코올을 활용한 음폐유 에스테르화 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230174011A (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100566107B1 (ko) | 2003-04-08 | 2006-03-30 | 한국에너지기술연구원 | 폐식용유중의 유리지방산 제거방법 |
| KR101294926B1 (ko) | 2010-12-31 | 2013-08-08 | 한국에너지기술연구원 | 바이오디젤 생산을 위한 전처리 반응에서 발생한 메탄올과 산 촉매의 혼합용액으로부터 메탄올을 회수하는 방법 및 회수된 메탄올을 재활용하는 방법 |
| KR101390754B1 (ko) | 2006-11-07 | 2014-05-02 | 에스케이케미칼주식회사 | 지방산을 이용한 지방산알킬에스테르의 제조방법 |
-
2022
- 2022-06-20 KR KR1020220074955A patent/KR20230174011A/ko unknown
Patent Citations (3)
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| KR101294926B1 (ko) | 2010-12-31 | 2013-08-08 | 한국에너지기술연구원 | 바이오디젤 생산을 위한 전처리 반응에서 발생한 메탄올과 산 촉매의 혼합용액으로부터 메탄올을 회수하는 방법 및 회수된 메탄올을 재활용하는 방법 |
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