KR101478344B1 - 연료용 바이오에탄올의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

분리탑에서 바이오에탄올 발효액을 농축하여 제1 바이오에탄올 증기를 얻는 단계; 상기 제1 바이오에탄올 증기를 냉각하여 분리탑 환류 탱크에서 바이오에탄올 농축액을 얻는 단계; 상기 분리탑 환류 탱크에 존재하는 상기 바이오에탄올 농축액을 정제탑으로 공급하는 단계; 상기 정제탑에서 상기 바이오에탄올 농축액을 농축하여 제2 바이오에탄올 증기를 얻는 단계; 상기 정제탑에 존재하는 상기 제2 바이오에탄올 증기를 탈수탑으로 공급하는 단계; 및 상기 탈수탑에서 상기 제2 에탄올 증기로부터 수분을 제거하여 제3 바이오에탄올 증기를 얻는 단계를 포함하는 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정, 그리고 이로부터 제조된 연료용 바이오에탄올이 제공된다.

Description

연료용 바이오에탄올의 제조 방법{METHOD OF PREPARING FUEL-GRADE BIOETHANOL}
본 기재는 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정 및 이로부터 제조된 연료용 바이오에탄올에 관한 것이다.
신재생에너지원의 한 종류인 바이오에탄올은 음용으로 사용되어 왔으나, 최근 화석 연료의 고갈, 지구 온난화 등의 환경 문제, 에너지 안보 등의 문제로 인하여 바이오에탄올 사용이 증가하고 있다.
일반적인 바이오에탄올은 증류(distillation) 공정을 거쳐 95 내지 96 부피%까지 농축하여 사용 및 판매되어지나, 연료용으로 사용되는 바이오에탄올은 0.5 부피% 이내의 수분을 함유하고 있다.
단일 단위 조작 공정인 증류 공정만을 이용할 경우 공비점(azeotropy point) 형성에 의해 이론적으로 97.2 부피% 이상의 농축은 어려우며, 그 이상의 농축을 위해서는 별도의 탈수 공정을 이용하여 바이오에탄올에 함유된 수분을 제거한다.
탈수 공정은 생산 및 운전 방식에 따라 공비 증류법, 추출 증류법 및 분자체 탈수법(membrane sieve dehydration process)으로 구분할 수 있다. 상기 공비 증류법 및 상기 추출 증류법으로 수행할 경우 공비제(entratiner) 등을 공정상에 투입하여 운전하게 됨으로써 환경적인 문제가 발생하며 운전이 어려우므로 최근에 설립되는 공장에서는 거의 적용되지 않는다. 때문에 최근 현재 연료용 바이오에탄올 생산에서 가장 보편적으로 사용되는 탈수 공정은 상기 분자체 탈수법이고, 이 중에서도 PSA(pressure swing adsorption) 공정을 가장 많이 사용하고 있다. 상기 PSA 공정은 흡착제를 이용하여 물과 에탄올 분자 크기의 차이를 이용하여 수분을 분리하는 공정으로서, 상기 공비 증류법 및 상기 추출 증류법 보다 에너지 소모가 적으며 운전이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
본 발명의 일 구현예는 바이오에탄올 생산을 위한 열교환기 설비를 줄일 수 있어 초기 설비 구축 비용이 감소하고, 생산 공정에서 소비되는 에너지량을 줄일 수 있는 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 증류/탈수 공정으로 제조된 연료용 바이오에탄올을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 분리탑에서 바이오에탄올 발효액을 농축하여 제1 바이오에탄올 증기를 얻는 단계; 상기 제1 바이오에탄올 증기를 냉각하여 분리탑 환류 탱크에서 바이오에탄올 농축액을 얻는 단계; 상기 분리탑 환류 탱크에 존재하는 상기 바이오에탄올 농축액을 정제탑으로 공급하는 단계; 상기 정제탑에서 상기 바이오에탄올 농축액을 농축하여 제2 바이오에탄올 증기를 얻는 단계; 상기 정제탑에 존재하는 상기 제2 바이오에탄올 증기를 탈수탑으로 공급하는 단계; 및 상기 탈수탑에서 상기 제2 에탄올 증기로부터 수분을 제거하여 제3 바이오에탄올 증기를 얻는 단계를 포함하는 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정을 제공한다.
상기 정제탑의 하부에 바이오에탄올 잔류물이 존재할 수 있고, 상기 바이오에탄올 잔류물을 상기 분리탑으로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탈수탑에서 얻은 상기 제3 바이오에탄올 증기는 99.5 부피% 이상의 바이오에탄올을 포함할 수 있다.
상기 정제탑의 상부 온도는 80 내지 90 ℃ 일 수 있고, 상기 정제탑의 하부 온도는 100 내지 115 ℃ 일 수 있고, 상기 정제탑의 내부 압력은 0.25 내지 1.0 kg/cm2 일 수 있다.
상기 탈수탑에서 얻은 상기 제3 바이오에탄올 증기를 상기 정제탑 및 상기 탈수탑 사이에 위치하는 열교환기에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탈수탑에서 얻은 상기 제3 바이오에탄올 증기를 상기 분리탑 환류 탱크 및 상기 정제탑 사이에 위치하는 열교환기에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정으로 제조된 연료용 바이오에탄올을 제공한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
열교환기 설비를 줄일 수 있어 설비 구축 비용이 감소하고, 생산 공정에서 소비되는 에너지량을 줄일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정을 보여주는 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
일 구현예에 따른 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정은 바이오에탄올 발효액으로부터 증류 공정 및 탈수 공정을 거쳐 고농도의 바이오에탄올, 구체적으로는 고농도의 연료용 무수 바이오에탄올을 제조하는 공정일 수 있다.
상기 탈수 공정은 구체적으로 분자체 탈수법(molecular sieve dehydration process, MSDP)으로 수행될 수 있다.
이하에서 무수 바이오에탄올을 제조하기 위한 증류 공정 및 탈수 공정을 구체적으로 도 1과 함께 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정을 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 바이오에탄올의 제조를 위한 증류 및 탈수 공정은 분리탑(10), 정제탑(20) 및 탈수탑(30)의 설비가 구축될 수 있다.
상기 분리탑(10)은 스트리퍼 칼럼(stripper column) 또는 매쉬 칼럼(mash column)이라고도 한다. 발효가 완료된 바이오에탄올 발효액은 4 내지 15 부피%의 바이오에탄올을 포함할 수 있다. 상기 분리탑(10)에서는 이러한 바이오에탄올 발효액으로부터 60 내지 80 부피%까지 바이오에탄올을 농축시킬 수 있고, 상기 정제탑(20)에서는 상기 분리탑(10)에서 농축된 바이오에탄올을 90 내지 96 부피%까지 농축시킬 수 있고, 상기 탈수탑(30)에서는 상기 정제탑(20)에서 농축된 바이오에탄올에서 수분을 제거하여 99.5 부피% 이상까지 농축시킬 수 있다.
구체적으로, 일 구현예에 따른 연료용 바이오에탄올의 제조를 위한 증류/탈수 공정은 분리탑(10)에서 바이오에탄올 발효액을 농축하여 제1 바이오에탄올 증기를 얻는 단계; 상기 제1 바이오에탄올 증기를 냉각하여 분리탑 환류 탱크(14)에서 바이오에탄올 농축액을 얻는 단계; 상기 분리탑 환류 탱크(14)에 존재하는 상기 바이오에탄올 농축액을 정제탑(20)으로 공급하는 단계; 상기 정제탑(20)에서 상기 바이오에탄올 농축액을 농축하여 제2 바이오에탄올 증기를 얻는 단계; 상기 정제탑(20)에 존재하는 상기 제2 바이오에탄올 증기를 탈수탑(30)으로 공급하는 단계; 및 상기 탈수탑(30)에서 상기 제2 에탄올 증기로부터 수분을 제거하여 제3 바이오에탄올 증기를 얻는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서 상기 단계를 구체적으로 설명한다.
상기 분리탑(10)에서 바이오에탄올의 1차 농축이 일어나 상기 분리탑(10)의 상부에서 제1 바이오에탄올 증기가 얻어질 수 있다.
상기 분리탑(10)의 상부 온도는 81 내지 86 ℃로 운전될 수 있으며, 바이오에탄올 잔류물의 검출을 방지하기 위해 상기 분리탑(10)의 하부 온도는 100℃ 이상, 구체적으로는 100 내지 105 ℃로 운전될 수 있다. 또한 상기 분리탑(10)의 내부 압력은 상압을 유지할 수 있다.
상기 분리탑(10)에서 얻어진 상기 제1 바이오에탄올 증기는 냉각기(12)를 통하여 냉각되어 분리탑 환류 탱크(14)에 바이오에탄올 농축액이 저장될 수 있다.
상기 분리탑 환류 탱크(14)에 저장된 상기 바이오에탄올 농축액을 정제탑(20)으로 공급하여, 상기 정제탑(20)에서 2차 농축을 실시할 수 있다.
이때 상기 분리탑 환류 탱크(14)에 저장된 상기 바이오에탄올 농축액을 다시 상기 분리탑(10)으로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분리탑(10)으로 재공급되는 상기 바이오에탄올 농축액의 부피는 상기 정제탑(20)으로 공급되는 상기 바이오에탄올 농축액의 부피 대비 2 내지 8 배일 수 있고, 구체적으로는 4 내지 6 배 일 수 있다. 상기 분리탑의 상부에 존재하는 상기 제1 바이오에탄올 증기와 상기 분리탑으로 재공급되는 상기 바이오에탄올 농축액의 열교환을 통하여 상기 제1 바이오에탄올 증기에 포함된 고비점 물질인 수분이 상기 분리탑의 하부에 응축되고 저비점 물질인 바이오에탄올은 더 쉽게 증발되어 상기 분리탑의 상부에 농축된다. 상기 범위 내의 환류비를 가질 경우 이와 같은 과정을 통하여 상기 분리탑의 상부에서 바이오에탄올의 농축이 효율적으로 이루어질 수 있다.
상기 분리탑(10)에서 얻은 상기 제1 바이오에탄올 증기는 60 내지 80 부피%의 바이오에탄올을 포함할 수 있다.
상기 정제탑(20)에서 상기 바이오에탄올 농축액을 농축하여 상기 정제탑(20)의 상부에서 제2 바이오에탄올 증기를 얻을 수 있다.
상기 정제탑(20)에서 얻은 상기 제2 바이오에탄올 증기를 탈수탑(30)으로 공급할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 제2 바이오에탄올 증기를 냉각하여 액체 형태의 농축액을 상기 탈수탑(30)으로 공급하는 것이 아니라, 상기 정제탑(20)의 상부에서 얻은 상기 제2 바이오에탄올 증기를 직접 상기 탈수탑(30)으로 공급할 수 있다.
상기 정제탑(20)의 상부 온도는 80 내지 90 ℃ 일 수 있고, 구체적으로는 81 내지 86 ℃ 일 수 있다. 상기 정제탑(20)의 하부 온도는 100 내지 115 ℃ 일 수 있고, 구체적으로는 100 내지 105 ℃ 일 수 있다. 또한 상기 정제탑(20)의 내부 압력은 0.25 내지 1.0 kg/cm2 일 수 있고, 구체적으로는 0.3 내지 0.7 kg/cm2 일 수 있다. 상기 정제탑(20)이 상기 온도 및 압력 범위 내로 운전될 경우 상기 정제탑(20)에서 농축된 제2 바이오에탄올 증기를 상기 탈수탑(30)에 직접 공급할 수 있다.
상기 정제탑(20)의 상부에서 얻은 상기 제2 바이오에탄올 증기를 직접 상기 탈수탑(30)으로 공급할 수 있으므로, 상기 제2 바이오에탄올 증기를 냉각하기 위한 냉각기가 설치될 필요가 없고, 냉각한 농축액을 상기 탈수탑(30)으로 공급하기 위해 증기화시키는 과정이 필요 없음에 따라 기화기(vaporizer)의 설비도 필요하지 않다. 따라서 상기 정제탑(20)에서 상기 탈수탑(30)으로 연결되는 설비 중 상기 냉각기와 상기 기화기와 같은 열교환기 설비를 줄일 수 있으므로 설치 비용이 감소될 수 있다. 또한 상기 제2 바이오에탄올 증기를 냉각하고 재증발하는데 요구되는 에너지를 절약할 수도 있다.
바이오에탄올을 더욱 농축시키기 위해, 상기 정제탑(20)에서 얻은 상기 제2 바이오에탄올 증기를 냉각하여 정제탑 환류 탱크(22)에서 바이오에탄올 농축 용액을 얻는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 정제탑 환류 탱크(22)에 존재하는 상기 바이오에탄올 농축 용액을 상기 정제탑(20)으로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 정제탑(20)으로 재공급되는 상기 바이오에탄올 농축 용액의 부피는 상기 탈수탑(30)으로 공급되는 상기 제2 바이오에탄올 증기의 부피 대비 3 내지 10 배 일 수 있고, 구체적으로는 6 내지 8 배 일 수 있다. 상기 정제탑의 상부에 존재하는 상기 제2 바이오에탄올 증기와 상기 정제탑으로 재공급되는 상기 바이오에탄올 농축 용액의 열교환을 통하여 상기 제2 바이오에탄올 증기에 포함된 고비점 물질인 수분이 상기 정제탑의 하부에 응축되고 저비점 물질인 바이오에탄올은 더 쉽게 증발되어 상기 정제탑의 상부에 농축된다. 상기 범위 내의 환류비를 가질 경우 이와 같은 과정을 통하여 상기 정제탑의 상부에서 바이오에탄올의 농축이 효율적으로 이루어질 수 있다.
상기 정제탑(20)의 하부에는 에탄올의 폐액으로 불리우는 바이오에탄올 잔류물이 남아있을 수 있다. 이러한 바이오에탄올 잔류물을 상기 분리탑(10)으로 재공급하여 농축함으로써 바이오에탄올의 손실을 방지할 수 있다.
상기 정제탑(20)에서 얻은 상기 제2 바이오에탄올 증기는 90 내지 96 부피%의 바이오에탄올을 포함할 수 있다.
상기 정제탑(20)에서 얻은 상기 제2 바이오에탄올 증기를 과열기(26)에서 과포화 시킨 후 상기 탈수탑(30)으로 공급될 수 있다. 상기 과열기(26)에서 과포화된 제2 바이오에탄올 증기는 80℃ 이상일 수 있고, 구체적으로는 130 내지 140 ℃ 일 수 있다.
상기 탈수탑(30)에서 바이오에탄올의 3차 농축을 실시할 수 있다. 구체적으로 상기 탈수탑(30)으로 공급된 상기 제2 에탄올 증기로부터 수분을 제거하여 제3 바이오에탄올 증기를 얻을 수 있고, 상기 상기 제3 바이오에탄올 증기는 99.5 부피% 이상의 바이오에탄올을 포함할 수 있다. 이때 상기 탈수탑(30) 내부는 상기 제2 에탄올 증기에 함유된 수분을 흡착함으로써 상기 수분을 제거할 수 있다.
상기 99.5 부피% 이상의 바이오에탄올을 포함하는 상기 제3 바이오에탄올 증기를 상기 정제탑(20) 및 상기 탈수탑(30) 사이의 배관에 위치하는 열교환기(24)에 재공급할 수 있다. 상기 제3 바이오에탄올 증기는 100℃ 이상의 증기로 얻어지므로, 상기 정제탑(20) 및 상기 탈수탑(30) 사이의 배관의 응축을 방지하고 예열을 위한 열교환에 재사용될 수 있으며, 이에 따라 에너지를 저감할 수 있다.
또한 상기 탈수탑(30) 내부의 수분을 탈착시켜 86 내지 88 부피%의 바이오에탄올을 포함하는 제3 바이오에탄올 증기를 생산할 수 있으며, 생산된 상기 제3 바이오에탄올 증기는 상기 분리탑 환류 탱크(14) 및 상기 정제탑(20) 사이의 배관에 위치하는 열교환기(16)에 재공급할 수 있다. 상기 제3 바이오에탄올 증기는 100℃ 이상의 증기로 얻어지므로, 상기 분리탑 환류 탱크(14)에서 상기 정제탑(20)으로 공급되는 상기 바이오에탄올 농축액의 예열을 위한 열교환에 재사용될 수 있으며, 이에 따라 에너지를 저감할 수 있다.
다른 일 구현예에 따르면, 전술한 증류/탈수 공정을 통하여 제조된 연료용 바이오에탄올을 제공할 수 있다.
10: 분리탑
12: 냉각기
14: 분리탑 환류 탱크
16, 24: 열교환기
20: 정제탑
22: 정제탑 환류 탱크
26: 과열기
30: 탈수탑

Claims (9)

  1. 분리탑에서 바이오에탄올 발효액을 농축하여 제1 바이오에탄올 증기를 얻는 단계;
    상기 제1 바이오에탄올 증기를 냉각하여 분리탑 환류 탱크에서 바이오에탄올 농축액을 얻는 단계;
    상기 분리탑 환류 탱크에 존재하는 상기 바이오에탄올 농축액을 정제탑으로 공급하는 단계;
    상기 정제탑에서 상기 바이오에탄올 농축액을 농축하여 제2 바이오에탄올 증기를 얻는 단계;
    상기 정제탑에 존재하는 상기 제2 바이오에탄올 증기를 탈수탑으로 공급하는 단계; 및
    상기 탈수탑에서 상기 제2 에탄올 증기로부터 수분을 제거하여 제3 바이오에탄올 증기를 얻는 단계를 포함하고,
    상기 정제탑의 내부 압력은 0.25 내지 1.0 kg/cm2 인 연료용 바이오에탄올의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정제탑의 하부에 바이오에탄올 잔류물이 존재하고,
    상기 바이오에탄올 잔류물을 상기 분리탑으로 재공급하는 단계를 더 포함하는 연료용 바이오에탄올의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탈수탑에서 얻은 상기 제3 바이오에탄올 증기는 99.5 부피% 이상의 바이오에탄올을 포함하는 연료용 바이오에탄올의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정제탑의 상부 온도는 80 내지 90 ℃ 인 연료용 바이오에탄올의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정제탑의 하부 온도는 100 내지 115 ℃ 인 연료용 바이오에탄올의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탈수탑에서 얻은 상기 제3 바이오에탄올 증기를 상기 정제탑 및 상기 탈수탑 사이에 위치하는 열교환기에 공급하는 단계를 더 포함하는 연료용 바이오에탄올의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탈수탑에서 얻은 상기 제3 바이오에탄올 증기를 상기 분리탑 환류 탱크 및 상기 정제탑 사이에 위치하는 열교환기에 공급하는 단계를 더 포함하는 연료용 바이오에탄올의 제조 방법.
  9. 삭제
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