KR100717406B1 - 관형 에스테르 반응기 - Google Patents

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신원균
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Abstract

관형 에스테르 반응기가 개시된다. 유체의 흐름에 대해 일정한 경사각을 가지고 배치되는 적어도 하나 이상의 측면 분사노즐을 포함하며, 분사노즐은 반응물을 일정한 크기로 미립화하여 내부로 분사하는 관형 에스테르 반응기는 바이오 디젤의 반응수율 및 반응속도를 높일 수 있다.
바이오디젤, 수율, 분사노즐, 관형

Description

관형 에스테르 반응기{TUBULAR ESTER REACTOR}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기의 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기에서 측면 분사노즐 및 축경 분사노즐이 배치된 형태를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기에 사용되는 분사노즐의 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기의 개략도.
도 5는 관형 에스테르 반응기의 전체적인 형태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기가 구비된 바이오 디젤 제조장치의 개략도.
<도면 부호의 설명>
1: 측면 분사노즐 2: 관형 에스테르 반응기
3: 축경 분사노즐 4: 축경부
5: 라인믹서
본 발명은 관형 에스테르 반응기에 관한 것이다.
아직까지 인류가 사용하고 있는 에너지원의 대부분은 석유, 석탄 등 화석연료(fossil fuel)가 대부분을 차지한다. 이러한 화석연료들은 현재 급속한 자원고갈과 함께 에너지 수급상황의 불안감을 야기하고 가격폭등의 원인이 되고 있다. 무엇보다 화석연료 그 자체가, 지구 환경오염의 주범이라는 사실을 많은 사람들이 인지하고 있어, 자원의 급속한 고갈과 함께 종래 화석연료를 대체할만한 지속적이면서 안정적인 에너지 자원 확보가 무엇보다 절실한 상황이다.
현재 이러한 대체에너지 자원 개발을 위한 노력으로 다방면의 연구 개발이 진행되고 있으며, 그 중 생명체의 생명 활동으로 생성되는 유기체의 바이오매스 에너지 개발은 화석연료를 대체할만한 대체에너지 개발 중 가장 이상적인 자원개발 방법으로 여겨지고 있다. 생명체의 유기체가 만들어 내는 유기물 에너지 즉, 바이오매스(biomass) 에너지는 무엇보다 원료공급이 안정적이면서 매우 친환경적이고 자연계의 순환에너지의 형태를 띄고 있어 에너지원의 재창출이 무한정 가능하다는 것이 큰 특징이다. 바이오매스 에너지는 처음 원료의 생성에서부터 에너지원으로의 활용에 이르기까지 순환계 에너지 형태로서 매우 친환경적이고 수요공급의 안정화는 물론 타 산업으로의 파생효과, 특히 농업 산업으로의 파급효과가 매우 크다.
바이오매스 에너지원으로부터 연료화가 가능한 에너지의 형태 또한 다양하다. 통상 바이오원료(biofuel)라 지칭하는 바이오매스 에너지의 또 다른 형 태는 바이오디젤(biodiesel), 바이오에탄올(bioethanol), 그리고 메탄가스와 같은 바이오가스(biogas) 등이 있다. 이중 동물 또는 식물의 지방 또는 재생유지로부터 만들어지는 바이오디젤은 현재 사용되고 있는 디젤 엔진의 구조변경이나 설계변경 없이도 수송에너지 원료로의 대체가 가능하고 무엇보다 오염물질 저감효과가 매우 커서 매우 친환경적인 대체에너지로 각광 받고 있다. 또한 지속적이고 안정적인 에너지원의 확보는 물론 페트로디젤(petrodiesel)이 갖지 못한 원료유로서의 안정성, 윤활성 등 여러 장점이 널리 알려져 있다.
본 발명은 바이오디젤의 생산에 있어서 반응수율 및 반응속도를 높일 수 있는 관형 에스테르 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 관형 에스테르 반응기는 반응물의 흐름에 대해 일정한 경사각을 가지고 배치되는 적어도 하나 이상의 측면 분사노즐을 포함하며, 분사노즐은 반응물을 일정한 크기로 미립화하여 내부로 분사한다.
본 발명에 따른 관형 에스테르 반응기의 실시예들은 다음과 같은 특징들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 관형 에스테르 반응기는 지름이 점차적으로 축경되는 적어도 하나 이상의 축경부를 가지고, 축경부에는 축경부를 통과한 반응물을 일정한 크기로 미립화하여 내부로 분사하는 축경 분사노즐이 구비될 수 있다. 그리고 측면 분사노즐 및 축경 분사노즐은 반응물을 무화상으로 분사할 수 있으며, 측면 분사노즐 및 축경 분사노즐은 반응물의 분사속도, 분사량, 분사각도, 분사압력을 조절할 수 있다. 또한, 관형 에스테르 반응기 내부에는 적어도 하나 이상의 라인믹서가 구비될 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 관형 에스테르 반응기의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명에 따른 관형 에스테르 반응기에 대해 설명하기에 앞서, 일반적인 화학 반응식에 있어서의 반응수율 및 관형 에스테르 반응기에 대해 먼저 설명하기로 한다.
일반적으로 화학반응의 반응 속도에 영향을 미치는 요인들은, 예를 들면 반응물의 물리화학적 특성, 농도, 온도, 압력, 촉매, 그리고 서로 접촉할 수 있는 반응물의 능력을 들 수 있다. 이와 같이 화학반응 속도에 영향을 미치는 인자 중에서 반응물들 사이의 접촉면적을 극대화하는 것은 모든 화학반응에 있어서 공통적으로 요구되는 사항으로, 접촉을 통한 반응물간 계면에서의 접촉 면적의 극대화와 체류 시간의 확보는 반응속도와 반응수율을 결정하는 중요한 인자이다. 그리고 반응 혼합물 사이에 수 마이크로미터 단위의 미립화 된 무화상(automized) 입자상 물질이 반응 혼합물 사이에 반응 개시 직전에 제공될 수 있다면 반응의 양상은 단순한 물리적 혼합특성의 영역을 넘어서 화학 반응 특성의 양상까지도 변화가 가능하다.
반응 혼합물 사이에 접촉 면적의 극대화를 위한 중요한 인자 중의 하나가 바로 반응 혼합물들이 이루는 상(phase)과 상평형(phase equilibrium)이라 할 수 있다. 일반적으로 상이란 물질의 상태에 따라 고상, 액상, 기상 또는 플라즈마와 같은 임계상이 있으며, 상의 균일 여부에 따라 균일상(homogeneous phase)과 비균일상(heterogeneous phase)으로 구분될 수 있다. 통상 고체상태는 상태를 구성하는 구성 성분 수만큼 상이 존재하지만, 액상 또는 기상의 경우에는 상태의 특성뿐만 아니라 불균일성의 정도에 따라 균일상과 비균일상이 혼재할 수 있다. 많은 화학반응에서 종종 두 성분이 이루는 상이 가령 동일한 액상상태라 할지라도 이 액상상태 반응물들이 균일하게 혼합된다면 반응물간의 활성화가 용이하게 되어 빠른 반응속도와 높은 반응 수율을 기대할 수 있지만, 서로 혼합되지 않는 불균일한 상이라고 한다면 서로 다른 두 상이 접촉할 수 있는 능력이 상대적으로 크게 떨어지게 되어 반응이 진행되지 않거나 반응이 진행되더라도 반응 속도가 느려 반응 수율 역시 크게 저하된다. 일반적으로 2상(two phase) 반응이라고 불리우는 반응들은 고액반응, 기액반응과 같이 물질의 상이 다른 두 가지 반응물의 반응을 나타내는 말이지만 에스테르화 반응에서처럼 소수성(hydrophobisity)기를 갖는 반응물과 친수성(hydrophilicity)기를 가지는 반응물들이 혼재하여 서로 잘 혼합되지 않는 경우에는 상기에서 언급한 바처럼 반응물 사이의 반응은 2상 반응이 진행되는 것으로 볼 수 있다.
아래에서 설명하겠지만, 동물 또는 식물성 유지 및 재생유지를 출발물질로 하여 합성되는 바이오디젤은 유지의 주 성분인 트리글레세라이드(triglyceride)에 알코올을 첨가시켜 반응하는 일종의 알코올분해 반응(alcholysis)이다. 바이오디젤은 일반적으로 염기 또는 산 촉매를 이용하여 알코올과 유지의 에스테르 교환(transesterfication) 반응을 통하여 제조되는데, 알코올은 극성인 O-H기를 갖고 있기 때문에 같은 O-H기를 함유하고 있는 물분자와 쉽게 수소결합(hydrogen bonding) 할 수 있다. 그러므로 물분자들끼리 서로를 강하게 끌어 당기는 만큼, 알코올 분자도 끌어당길 수 있는 것이고, 물분자의 공간에 알코올 분자가 들어오는데 필요한 인력과, 물분자가 알코올 분자를 끌어 당기는데 필요한 인력 사이에는 시간에 따라 평형 상태를 이룬다. 그래서 알코올 분자는 물 안으로 들어와서 용액을 만들고, 마찬가지로 물 분자도 알코올 분자로의 이동도 가능해진다. 이러한 과정을 통하여 물과 알코올은 서로 잘 용해되며, 이러한 계에서는 분자 상호간 인력이 활발해지기 때문에 용액의 무질서도(entropy)를 증가시키기 위한 별도의 일을 필요로 하지 않으므로 자연스럽게 혼합되어 용액을 만들 수 있다.
그러나 바이오 디젤의 주 연료인 동물성 또는 식물성 유지 및 재생유지는 주 성분이 트리글리세라이드(triglyceride)의 소수성기를 띄고 있고 일반적으로 알코올과는 다른 극성을 띄고 있어, 이러한 극성 차이 때문에 유지와 알코올은 상대적으로 상온, 상압에서는 좀처럼 용해하지 않는 특성을 가진다. 그래서 알코올에 유지를 분산시키고자 하는 경우 알코올 분자들끼리의 인력이 유지의 인력에 비해 상대적으로 더 강하게 작용하므로, 설령 알코올을 유지내에 강제로 분산시켜 용해시켰다 하더라도 알코올 분자는 다른 알코올 분자와 만날 때마다 알코올 분자들 상호 간의 수소 결합에 의해 서로 잡아 당기려는 성질이 존재하게 된다. 그리고 이러한 현상은 모든 알코올 분자가 분리될 때까지 계속해서 진행되어 알코올에서 유지의 용해도는 시간이 지남에 따라 안정화되지 못하고 자발적인 균일 용액상태 역시 형성하지 못한다.
그리고 관형 반응기는, 도 5에 도시된 바와 같이, 에스테르 반응에 사용되는 반응기의 한 형태로서, 복수 개의 관으로 이루어져 있으며 관의 내부에는 도 1 또는 도 4에서와 같이 측면 분사노즐(1) 및 축경 분사노즐(3)이 구비되어 있다. 관형 반응기는 운동 부분이 없기 때문에 상대적으로 유지 및 관리가 용이하고 흐름 반응기 중에서 반응기 부피당 전환율이 가장 높다.
본 발명은 상기와 같은 에스테르 반응의 특징에 착안해서 도출된 것으로서, 에스테르 반응에서 트리글리세라이드 및 메탄올을 수 내지 수십 마이크로미터의 크기 즉 무화상으로 분사시켜 반응면적을 증가함으로써 반응속도 및 반응수율을 높이는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 본 발명은 트리글리세라이드 및 메탄올 등과 같은 에스테르 반응에 사용되는 물질을 관형 에스테르 반응기 내부에 분사노즐을 이용하여 무화상 상태로 분사함으로써 반응속도 및 반응수율을 높일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기는 길이 방향의 관을 따라 반응물(미도시)이 이동하면서 에스테르 반응을 한다. 관에는 점차적으로 직경이 감소하는 복수 개의 축경부(4) 및 관의 내부로 반응물을 분사하는 측면 분사노즐(1) 및 축경 분사노즐(3)이 구비되어 있다.
본 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기는 반응물, 예를 들면 원료유 및 알코올이 이송장치(미도시)에 의한 관 내부로의 강제 유입에 의한 혼합뿐만 아니라 분사노즐에 의해 미립화 특히 무화상(automized phase) 상태에서 분사되기 때문에 반응수율이 좋고 반응시간을 줄일 수 있는 점에 특징이 있다. 무화상으로 분사되는 원료유 및 알코올 등은 반응면적 및 원자의 반응속도가 증가하기 때문에 반응수율 및 반응속도가 증가한다. 그리고 고속 및 고압으로 분사되는 반응물에 의해 에스테르 반응에 의해 발생하는 거품상의 지방산 금속염이 파쇄되기 때문에 반응수율 및 반응속도를 향상할 수 있게 되는 것이다.
관의 내부에서는 에스테르 반응이 발생하여 바이오디젤(biodiesel)이 생성된다. 에스테르 반응의 반응식은 아래 화학식1과 같다.
Figure 112006024136118-pat00001
위 화학식1에서 알 수 있는 바와 같이, 에스테르 반응은 주연료인 트리글리세라이드(triglyceride, 원료유)에 메탄올(methanol)이 1:3의 비율로 반응하여 거품상의 지방산 금속염 및 글리세린(glycerin) 즉 바이오디젤이 생성된다. 사용되는 원료유로는 팜유, 대두유, 면실유, 야자유, 코코넛유 등과 같은 식물성 오일 또는 닭기름, 돼지기름 등과 같은 동물성 유지 등이 있다. 그리고 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올 등이 있으며, 위 반응식에 사용되는 촉매로는 전이에스테르화 반응 의 경우 알칼리 촉매로는 NaOH, KOH, CH3ONa, CH3OK 등이 있고 산 촉매로는 H2SO4, HCl 등이 있다. 그리고 효소 촉매인 리파제(lipse)가 사용될 수도 있다.
관에는 복수 개의 측면 분사노즐(1)이 형성되어 있다. 측면 분사노즐(1)은 상기 화학식1에 도시된 반응물 즉, 원료유 및 알코올을 미립화 특히 무화상(automized phase)으로 만들어서 관의 내부로 분사한다.
무화상이란 액상의 반응물이 완전 기화된 형태 즉, 액상 상태의 반응물이 고압의 측면 분사노즐(1)에 의해 미립화되어 액상 상태를 이루지 않는 100㎛ 이하의 크기를 갖는 기상 입자를 의미한다. 무화상으로 완전 기화된 반응물의 표면적은 액상의 반응물에 비해 수백 내지 수천 배가 크기 때문에 반응수율 및 반응 속도 등이 현저하게 증가하게 되는 것이다.
그리고 상기 화학식1에서 알 수 있는 바와 같이, 에스테르 반응의 결과 거품상의 지방산 금속염이 생성된다. 이와 같은 지방산 금속염은 에스테르 반응의 주요 인자 중의 하나인 촉매활성물질을 거품 속으로 포획하거나 반응기 내부에 데드 볼륨(dead volume)을 증가시키고, 에스테르 반응 완료 후 바이오디젤과 글리세린의 액액분리를 어렵게 하는 요인으로 작용한다. 그러나 본 실시예에 따른 측면 분사노즐(1)은 고압의 분사압에 의해 거품상의 지방산 금속염을 파쇄하기 때문에 거품상으로 인한 문제점을 줄이거나 제거할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 분사노즐(1)은 반응물의 흐름 방향(화살표 표시)에 대해 일정한 각도, 예를 들면 0~90ㅀ의 각도를 갖고 배 치된다. 측면 분사노즐(1)을 통해서 원료유 및 알코올이 미립화, 특히 무화상 상태로 분사된다. 측면 분사노즐(1)이 도 2와 같이 상호 관의 내부에서 상호 대향되게 배치되는 경우 일측의 측면 분사노즐(1)을 통해서는 원료유가 그리고 타측의 측면 분사노즐(1)을 통해서는 알코올이 분사되게 할 수 있다. 그리고 각각의 측면 분사노즐(1)은 반응물의 분사속도, 분사량, 분사각도, 분사압력을 조절할 수 있으며, 이와 같은 구성을 갖는 분사노즐(1)의 구체적인 구성은 도 3과 같다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측면 분사노즐(1)은 연료탱크(31)와, 연료탱크(31)에 저장된 연료를 약 3 bar의 저압으로 펌핑하는 저압펌프(33)와, 저압 펌핑된 연료를 50~100 bar의 고압으로 펌핑하는 고압펌프(35)와, 고압펌프(35)로부터 공급되는 고압의 연료를 관의 내부로 직접 분사하는 노즐(41)과, 노즐(41)의 연료 분사 시점을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어장치(39), 제어장치(39)의 제어신호에 따라 분사동작이 구현되도록 노즐(41)을 구동시키는 구동부(37)로 이루어진다.
노즐(41)은 케이스의 중앙부분에 수직 방향으로 이동공(43)이 형성되고, 이동공(43)의 하측으로는 타원형의 챔버(47)와 분사구(49)가 순차적으로 형성되며, 이동공(43)의 내부에는 상하 방향으로 이동하면서 이동공(43)을 개폐하는 핀들(45)이 설치된다. 그리고 핀들(45)의 외주면상에 코일(51)을 형성하여 구동부(37)로부터 전류가 공급될 때 코일(51)에서 발생하는 전기장에 의해 핀들(45)이 하강하여 이동공(43)을 개방함으로써 고압펌프(35)에 의해 펌핑된 연료가 분사구(49)를 통해 반응기 몸체(19)의 내부로 반응물을 분사한다.
관형 에스테르 반응기(2)는 관의 지름이 일정하게 축소되는 축경부(4)를 갖고, 축경부(4)에는 축경 분사노즐(3)이 구비되어 있다. 축경부(4)는 관의 내부에서 반응하는 반응물이 축경 분사노즐(3)로 집중되게 하며, 축경 분사노즐(3)은 반응물을 미립화, 특히 무상화하여 관의 내부로 재 분사한다. 축경 분사노즐(3)은 도 3을 통해 설명한 분사노즐을 사용하여 그 분사압력, 분사량 및 분사각도를 조절할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기의 내부에는 라인믹서(line mixer)(5)가 구비되어 있다. 라인믹서(5)는 반응물의 흐름 방향(화살표 방향)에 위치하면서 반응물간 강한 난류를 유도한다. 이와 같은 라인믹서(5), 측면 분사노즐(1) 및 축경 분사노즐(3)은 반응물의 혼합 특성이 층류 흐름(laminar flow)인 경우에도 난류 흐름(turbulent flow)로 바꾸어 줌으로써 반응수율 및 반응속도를 증가시킨다.
이하에서는 도 6을 참조하면서 바이오디젤의 제조장치에 대해 설명하기로 한다.
우선 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 에스테르 반응기(11)에서 에스테르 반응이 종료되면, 저장탱크(53)로 이송하여 증류탑(55)에서 메탄올을 증류시킨 후 콘덴서(57)에서 응축하여 저장조(59)로 이송한다. 그리고 증류탑(55) 하부로부터 글리세린과 메틸에스테르를 회수하여 저장조(63)에서 글리세린을 분리한 후, 이송장치(61)와 저장조(71)를 통과시킨다. 또한, 제2증류탑(65)에서 증류시켜 분리기(65)를 거쳐서 메틸에스테르는 저장조(69)에 회수하고 가스는 배출기(67)를 통해 외부로 배출함으로써 바이오디젤이 생성되는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 다양한 변경예와 수정예도 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 바이오디젤의 반응수율 및 반응속도를 높일 수 있는 관형 에스테르 반응기를 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 반응물의 흐름에 대해 일정한 경사각을 가지고 배치되는 적어도 하나 이상의 측면 분사노즐을 포함하며,
    상기 분사노즐은 상기 반응물을 일정한 크기로 미립화하여 내부로 분사하는 관형 에스테르 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관형 에스테르 반응기는 지름이 점차적으로 축경되는 적어도 하나 이상의 축경부를 가지고,
    상기 축경부에는 상기 축경부를 통과한 상기 반응물을 일정한 크기로 미립화하여 내부로 분사하는 축경 분사노즐이 구비된 관형 에스테르 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 측면 분사노즐 및 상기 축경 분사노즐은 상기 반응물을 무화상으로 분사하는 관형 에스테르 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 측면 분사노즐 및 상기 축경 분사노즐은 상기 반응물의 분사속도, 분사량, 분사각도, 분사압력을 조절할 수 있는 관형 에스테르 반응기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 관형 에스테르 반응기 내부에는 적어도 하나 이상의 라인믹서가 구비되어 있는 관형 에스테르 반응기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20020012268A (ko) * 1999-06-10 2002-02-15 뵘, 보에스 반응성 반응 성분을 이동성 유동 매질과 격렬하게혼합함으로써 에틸렌 단독중합체 및 공중합체를 제조하는방법

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