KR102043442B1 - 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법 - Google Patents

지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법은, 바이오디젤 생산에서 원료로 사용하기 부적합한 조지방산(Crude Fatly Acid), 소다 유체에 황산으로 중화 처리한 다크유(Dark oil), 유리지방산(FFA)을 다량 함유한 동식물성 산유(Acid oil)를 포함하는 유지를 정제 또는 비정제 글리세린과 무촉매 고진공 가열반응하고, 반응 과정 중에 수분과 함께 기화되는 글리세린을 응축 후 재투입하는 과정을 거쳐, 글리세린이 반응 완료 전에 손실되는 것을 방지함으로써 정확한 반응을 유도하여 양질의 저산가 바이오디젤용 글리세라이드를 생성하기 위해 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린을 반응조(100)에 투입하는 단계(S1), 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하는 단계(S2), 응축 글리세린을 추출 후 반응조(100)로 재투입하는 단계(S3), 냉각 후 저장하는 단계(S4)를 포함하여 주요구성으로 이루어진다.

Description

지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법{Method for manufacturing low-valuable Glyceride for Biodiesel Feedstock}
본 발명은 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법에 관련되며, 보다 상세하게는 바이오디젤 생산에서 원료로 사용하기 부적합한 조지방산(Crude Fatly Acid), 소다 유체에 황산으로 중화 처리한 다크유(Dark oil), 유리지방산(FFA)을 다량 함유한 동식물성 산유(Acid oil)를 포함하는 유지를 정제 또는 비정제 글리세린과 무촉매 고진공 가열반응하고, 반응 과정 중에 수분과 함께 기화되는 글리세린을 응축 후 재투입하는 과정을 거쳐, 글리세린이 반응 완료 전에 손실되는 것을 방지함으로써 정확한 반응을 유도하여 양질의 저산가 바이오디젤용 글리세라이드를 생성하는 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
화석연료 사용으로 인한 환경 오염, 지구온난화로 인해 다양한 형태의 대체 연료 개발이 활발하게 이루어지고, 그 중 생물체가 만들어내는 유기물인 바이오매스(biomass)로부터 생산되는 지속 생산 가능한 연료인 바이오연료(biofuel) 개발이 꾸준히 이루어지고 있다. 바이오연료의 종류로는 바이오에탄올(bioethanol), 메탄올(methanol), 바이오디젤(biodiesel), 메탄가스 등이 있으며, 그 중에서도 동, 식물의 지방 또는 재생유지로부터 만들어지는 바이오디젤이 운송수단의 연료, 즉 디젤 엔진 연료의 첨가제로 가장 널리 사용되고 있다.
여기서, 바이오디젤인 지방산 메틸 에스테르(fatty acid methyl esters; FAME)는 생분해성, 무독성, 및 낮은 배기 프로파일을 갖는 환경적 잇점으로 인해 대체 연료 자원으로 널리 이용되는바, 바이오디젤을 생산하는 가장 보편적인 방법은 식물성 기름이나 동물성 지방 같은 재생가능한 생물학적 원료와 알콜(보통, 메탄올)의 알칼리 촉매를 이용한 트랜스에스테르화(transesterification) 반응을 이용하고, 이 과정은 트리글리세라이드에 메탄올과 촉매가 첨가되어 그 구조가 끊어지고 메틸기가 붙은 바이오디젤과 글리세롤이 생산되고, 근자에는 생산수율 향상을 위한 기술 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
이에 종래에 개시된 등록특허 10-1294926호에서, 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, 기화물을 -6~6℃의 온도로 유지된 하나 이상의 응축기에 통과시켜 수분 함량이 2중량% 미만인 메탄올 응축물을 얻는 단계를 포함하는 기술이 선 등록된바 있다.
그러나, 이러한 산 촉매를 이용한 전처리 반응은 다량의 에너지를 필요로 하고, 또 산 촉매와 메탄올 및 전처리 유지의 분리과정이 반드시 수반되어야 하며, 특히 바이오디젤 생산에서 원료로 사용하기 부적합한 조지방산(Crude Fatly Acid), 소다 유체에 황산으로 중화 처리한 다크유(Dark oil), 유리지방산(FFA)을 다량 함유한 동식물성 산유(Acid oil)를 포함하는 유지를 원료 반응시 메탄올 생산수율이 현저하게 저하되는 폐단이 따랐다.
이에 따라 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안 된 것으로서, 바이오디젤 생산에서 원료로 사용하기 부적합한 조지방산(Crude Fatly Acid), 소다 유체에 황산으로 중화 처리한 다크유(Dark oil), 유리지방산(FFA)을 다량 함유한 동식물성 산유(Acid oil)를 포함하는 유지를 정제 또는 비정제 글리세린과 무촉매 고진공 가열반응하고, 반응 과정 중에 수분과 함께 기화되는 글리세린을 응축 후 재투입하는 과정을 거쳐, 글리세린이 반응 완료 전에 손실되는 것을 방지함으로써 정확한 반응을 유도하여 양질의 저산가 바이오디젤용 글리세라이드를 생성하는 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 특징은, 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법을 구현함에 있어서, 조지방산(Crude Fatly Acid), 다크유(Dark oil), 동식물성 산유(Acid oil)을 포함하는 지방산이 포함된 유지 70~98 중량부, 정제 또는 비정제 글리세린 2~30 중량부를 반응조(100)에 투입하는 단계(S1); 상기 (S1)단계의 반응조(100)에 투입된 유지와 정제 또는 비정제 글리세린을 550~700mmHg 조건에서 100℃를 시작점으로 240℃에 도달하기까지 150~160분 동안 진공 가열반응을 유도하여 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하는 단계(S2); 상기 (S2)단계는, 상기 반응조(100) 내부 온도가 85~95℃에 도달하는 시점부터 진공과정이 시작되도록 하며, 상기 (S2)단계의 과정에서 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분을 자동순환 콘덴샤(200)로 포집하고, 550~700mmHg, 130~150℃ 조건에서 진공 증류처리하여 수분이 분리된 응축 글리세린을 추출 후 반응조(100)로 재투입하는 단계(S3); 상기 (S3)단계 이후, 반응조(100)에 생성된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 냉각탱크(400)로 이송하여 50~70℃로 냉각 후 저장하는 단계(S4);를 포함하여 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법이 이루어지되, 상기 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법은, 조지방산(Crude Fatly Acid), 다크유(Dark oil), 동식물성 산유(Acid oil)을 포함하는 지방산이 포함된 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린으로 이루어진 원료가 투입되는 원료투입구(110)와, 원료를 교반하는 교반날(120)과, 원료를 가열하는 스팀자켓(130)과, 원료 가열 중에 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분을 배출하도록 상부로 형성되는 제1배기라인(140)으로 구성되는 반응조(100); 상기 반응조(100)의 제1배기라인(140)에 연결되어 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분이 포집되도록 구비되고, 글리세린이 흡착된 수분을 130~150℃로 가열하여 수분을 기화시키는 스팀자켓(220)과, 기화된 수분을 배기하는 제2배기라인(240)과, 수분이 분리된 응축 글리세린을 반응조(100)로 재투입하는 순환관(260)과, 제 2배기라인(240) 입구에 설치되어 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분의 이동을 지연시키는 원추형 갓(270)으로 구성되는 자동순환 콘덴샤(200); 상기 제2배기라인(240)에 연결되어, 자동순환 콘덴샤(200)에서 기화되는 수분이 수용되도록 구비되고, 내부에 교대로 이격 배치되는 상, 하부 격벽(310)(320)과, 상, 하부 격벽(310)(320)에 의해 지그재그 방향으로 형성되는 상, 하부 유로(312)(322)와, 하부 유로(322)가 잠기도록 충진되는 냉각수(330)와, 진공펌프(P)에 연결되어 진공을 형성하는 제3배기라인(340)으로 구성되는 냉각 콘덴샤(300); 및 상기 반응조(100) 하부에 추출라인(160)을 통하여 연결되어 반응조(100)에서 생성된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 회수하여 냉각 후 저장하는 냉각탱크(400)로 구성되는 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드 제조장치에 의해 제조되도록 구성함과 아울러, 상기 냉각탱크(400) 내부로 이송된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드는 냉각탱크(400) 내, 외부에 구비되어 냉매가 순환되는 냉각자켓을 경유하도록 하여 강제 냉각되도록 하며, 상기 반응조(100), 자동순환 콘덴샤(200) 및 냉각 콘덴샤(300)는 제 1, 2, 3배기유로(140)(240)(340)에 의해 연결되고, 진공펌프(P) 작동시 반응조(100), 자동순환 콘덴샤(200) 및 냉각 콘덴샤(300) 내부공간이 동시에 진공 형성되면서, 반응조(100) 내에서 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분이 제1배기유로(140)을 통한 강제이송력이 발생되고, 자동순환 콘덴샤(200) 내에서 기화된 수분이 제 2배기유로(240)을 통한 강제이송력이 발생되는 것을 특징으로 하는 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법을 제공한다.
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이상의 구성 및 작용에 의하면, 본 발명은 바이오디젤 생산에서 원료로 사용하기 부적합한 조지방산(Crude Fatly Acid), 소다 유체에 황산으로 중화 처리한 다크유(Dark oil), 유리지방산(FFA)을 다량 함유한 동식물성 산유(Acid oil)를 포함하는 유지를 정제 또는 비정제 글리세린과 무촉매 고진공 가열반응하고, 반응 과정 중에 수분과 함께 기화되는 글리세린을 응축 후 재투입하는 과정을 거쳐, 글리세린이 반응 완료 전에 손실되는 것을 방지함으로써 정확한 반응을 유도하여 양질의 저산가 바이오디젤용 글리세라이드를 생성하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법에서 정제 글리세린과 정제 또는 비정제 글리세린을 이용하여 진공도 550~700mmHg 조건에서 5회 반응결과의 평균값을 나타내는 표.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법에서 반응조 내의 진공도와 반응속도의 상관관계를 나타내는 표.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 장치를 전체적으로 나타내는 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법은, 바이오디젤 생산에서 원료로 사용하기 부적합한 조지방산(Crude Fatly Acid), 소다 유체에 황산으로 중화 처리한 다크유(Dark oil), 유리지방산(FFA)을 다량 함유한 동식물성 산유(Acid oil)를 포함하는 유지를 정제 또는 비정제 글리세린과 무촉매 고진공 가열반응하고, 반응 과정 중에 수분과 함께 기화되는 글리세린을 응축 후 재투입하는 과정을 거쳐, 글리세린이 반응 완료 전에 손실되는 것을 방지함으로써 정확한 반응을 유도하여 양질의 저산가 바이오디젤용 글리세라이드를 생성하기 위해 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린을 반응조(100)에 투입하는 단계(S1), 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하는 단계(S2), 응축 글리세린을 추출 후 반응조(100)로 재투입하는 단계(S3), 냉각 후 저장하는 단계(S4)를 포함하여 주요구성으로 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
1. 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린을 반응조(100)에 투입하는 단계(S1)
본 발명에 따른 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린을 반응조(100)에 투입하는 단계(S1)는, 조지방산(Crude Fatly Acid), 다크유(Dark oil), 동식물성 산유(Acid oil)을 포함하는 지방산이 포함된 유지(원료유) 70~98 중량부, 정제 또는 비정제 글리세린 2~30 중량부를 반응조(100)에 투입하는 단계이다.
도 2는 정제 글리세린과 정제 또는 비정제 글리세린을 이용하여 진공도 550~700mmHg 조건에서 5회 반응결과의 평균값을 나타내는 표로서, 도 2 (a)는 정제 글리세린과 정제 또는 비정제 글리세린를 투입하여 유지 산가 122에서 산가 5에 도달하기까지 각각 180분으로 동일하게 소요 되었고, 도 2 (b)는 유지 산가 54에서 유지 산가 5에 도달하기까지 각각 120분으로 각각 동일하게 소요됨을 알 수 있으며, 도 2 (c)는 유지 산가 36에서 유지 산가 5에 도달하기까지 각각 90분, 산가 3에 도달하기까지 각각 120분으로 동일하게 소요되는 결과를 얻었다.
즉, 정제 글리세린과 비정제 글리세린에 의한 반응결과 비교치 차이가 없으므로 정제 글리세린 대비 단가가 낮은 비정제 글리세린을 사용하여 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드 제조에 따른 원가 절감을 도모한다.
이때, 비정제 글리세린를 사용시, 후술하는 (S3)단계에서, 반응조(100) 가열시 수분에 녹아 있는 글리세린이 자동순환 콘덴샤(200)에서 포집되어 수분은 재 증발되고 비점이 높은 글리세린은 증발하지 않고 추출되는 과정에서 정제과정이 병행되므로 비정제 글리세린을 투입하더라도 정제 글리세린과 동일한 결과물을 얻을 수 있게 된다.
그리고, 상기 유지 70~98 중량부, 정제 또는 비정제 글리세린 2~30 중량부를 반응조(100)에 투입하는바, 여기서 유지와 글리세린과의 글리세라이드 생성 반응에 대한 배합비율은 유지의 지방산함량과 사용하는 글리세린의 순도에 따라 결정된다. 글리세라이드 생성반응은 유지와 글리세린과의 치환반응의 일종이므로, 글리세린의 분자량은 98이며 유지의 분자량은 일반적으로 C-18기준으로하여 283으로 산출된다.
이때, 글리세린이 투입량이 2중량부 미만일 경우 글리세라이드 반응에 차질이 발생하여 제품(반응물)의 산가가 높게 형성되어 바이오 디젤의 1차 공정에 해당하는 메틸레이션 반응에 영향을 미쳐 수율저하의 원인이 된다.
또한, 글리세린이 30중량부를 초과할 경우 글리세린이 메타놀과 유지의 반응에 악영향을 끼쳐 반응시간의 연장 및 수율저하를 발생하게 된다.
한편, 유지와 글리세린을 정확한 혼합비율로 투입하더라도 고온, 고진공상태에서 반응 시, 글리세린 1g당량에 물이 3g당량이 발생하므로 비점이 290℃인 글리세린이 증발 비산되는 물과 혼합되어 제거되는 양이 상당하여 글리세라이드 반응에 지장을 초래함에 따라 후술하는 자동순환 콘덴샤(200)에서 증발 비산되는 글리세린을 응축시켜 재투입하므로서, 글리세라이드 반응이 정확하게 이루어진다.
2. 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하는 단계(S2)
본 발명에 따른 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하는 단계(S2)는, 상기 (S1) 단계의 반응조(100)에 투입된 유지와 정제 또는 비정제 글리세린을 550~700mmHg 조건에서 100℃를 시작점으로 240℃에 도달하기까지 150~160분 동안 진공 가열반응을 유도하여 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하는 단계이다.
도 3은 반응조(100) 내의 진공도와 반응속도의 상관관계를 나타내는 표로서, 산가 100의 유지를 투입하여 10회 반복실험한 평균치를 나타낸 것이다. 도 3 (a)는 400~450mmHg 진공도에서 산가 10에 도달하기까지 210분이 소요됨을 알 수 있고, 도 3 (b)는 400~550mmHg 진공도에서 산가 10에 도달하기까지 180분이 소요되었음을 나타내며, 도 3 (c)는 550~700mmHg 진공도에서 산가 10에 도달하기까지 120분, 산가 5에 도달하기까지 160분이 요소되는 바와 같이, 550~700mmHg 진공도에서 반응속도가 크게 단축됨을 알 수 있다.
이처럼 반응조(100) 내부 진공도가 550~700mmHg 조건에서 160분으로 반응시간이 단축되어, 반응시 생성되는 수분이 단시간에 제거됨으로 정반응의 방해요인인 가역반응이 제거된다. 그리고 550~700mmHg 진공도에서 유지에 포함된 지방산과 글리세린과의 반응이 순조롭게 진행되어 글리세라이드의 구조가 천연물질과 차이가 없는 양질의 결과물로 생성된다.
이때, 상기 (S2)단계에서, 상기 반응조(100) 내부 온도가 85~95℃에 도달하는 시점부터 진공과정이 시작되도록 구비된다. 이는 반응조(100) 내부 온도가 상온 상태에서 반응이 시작되는 온도까지 가열하는 동안에는 반응조(100) 내부가 밀폐된 상태로 유지하여 가열시간 단축을 하고, 이후 85~95℃에 도달하는 시점부터 진공펌프(P)를 작동하여 반응조(100) 내부 진공도를 550~700mmHg로 유지하면서 기화된 수분을 포집하여 수분에 포함된 글리세린을 추출하게 된다.
3. 응축 글리세린을 추출 후 반응조(100)로 재투입하는 단계(S3)
본 발명에 따른 응축 글리세린을 추출 후 반응조(100)로 재투입하는 단계(S3)는, 상기 (S2)단계의 과정에서, 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분을 자동순환 콘덴샤(200)로 포집하고, 550~700mmHg, 130~150℃ 조건에서 진공 증류처리하여 수분이 분리된 응축 글리세린을 추출 후 반응조(100)로 재투입하는 단계이다.
상기 (S2)단계에서 반응조(100) 내부 진공도가 550~700mmHg 조건에서 반응시 생성되는 수분이 단시간에 제거되고, 수분에 녹아 있는 글리세린이 자동순환 콘덴샤(200)에서 포집되어 수분은 재증발되고 비점이 높은 글리세린은 증발하지 않고 반응조(100)로 재투입된다. 이에 반응 전 투입된 유지 및 글리세린이 반응종료 시점까지 일정한 비율로 유지되어 균일 반응을 유지하므로 양질의 글리세라이드를 생성하게 된다.
한편, 상기 (S2)단계에서의 반응속도와 진공도, 온도 설정과 더불어 글리세린 비율을 균일하게 유지하지 못하면 트리글리세라이드에 비해 과량의 모노글리세라이드가 생성되어 결과물의 정도증가와 다량의 이성체 생성을 유발시켜 바이오 디젤 핵심공정인 메틸에스테르 반응에 악영향을 미치며 증류수율 저하의 원인이 된다.
4. 냉각 후 저장하는 단계(S4)
본 발명에 따른 냉각 후 저장하는 단계(S4)는, 상기 (S3)단계 이후, 반응조(100)에 생성된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 냉각탱크(400)로 이송하여 50~70℃로 냉각 후 저장하는 단계이다. 이때 반응조(100)에 생성된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 냉각탱크(400)로 이송하는 시점은 제어부에서 시간 설정에 의해 상기 (S2)단계에서 150~160분이 경과되면 반응이 종료되도록 설정된다.
한편, 상기 냉각탱크(400) 내부로 이송된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드는 240℃에서 자연냉각되거나, 냉각탱크(400) 내, 외부에 구비되어 냉매가 순환되는 냉각자켓에 의해 강제 냉각되도록 구비된다. 다른 실시예로서 상기 (S1)단계에서 반응조(100)로 투입되는 유지와 글리세린을 냉각탱크(400) 내부 또는 외부에 구비되는 냉각자켓을 경유하도록 구성하여 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드 보유열(240℃)과 열교환을 통해 예열되고, 이로 인해 (S2) 단계에서 반응조(100) 가열에 따른 시간단축 및 에너지절감을 하는 구성도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 장치를 전체적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 장치는, 반응조(100), 자동순환 콘덴샤(200), 냉각 콘덴샤(300), 냉각탱크(400)를 포함하여 주요구성으로 이루어진다.
본 발명에 따른 반응조(100)는 조지방산(Crude Fatly Acid), 다크유(Dark oil), 동식물성 산유(Acid oil)을 포함하는 지방산이 포함된 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린으로 이루어진 원료가 투입되는 원료투입구(110)와, 원료를 교반하는 교반날(120)과, 원료를 가열하는 스팀자켓(130)과, 원료 가열 중에 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분을 배출하도록 상부로 형성되는 제1배기라인(140)으로 구성된다.
이때, 상기 반응조(100) 내부로 투입되는 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린은 스팀자켓(130)에 의해 가열됨과 동시에 교반날(120)에 의해 교반되면서 진공 가열반응을 유도하여 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하고, 이때 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분은 제1배기라인(140)을 통하여 후술하는 자동순환 콘덴샤(200)로 포집된다.
그리고, 상기 반응조(100)에 투입된 유지와 글리세린을 550~700mmHg 조건에서 100℃를 시작점으로 240℃에 도달하기까지 150~160분 동안 진공 가열반응을 유도하고, 진공 가열반응 전, 후 과정 중에 기화된 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분은 자동순환 콘덴샤(200)에 포집된 후 응축 글리세린으로 추출되어 반응조(100)로 재투입되도록 구비된다.
또한, 본 발명에 따른 자동순환 콘덴샤(200)는 상기 반응조(100)의 제1배기라인(140)에 연결되어 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분이 포집되도록 구비되고, 글리세린이 흡착된 수분을 130~150℃로 가열하여 수분을 기화시키는 스팀자켓(220)과, 기화된 수분을 배기하는 제2배기라인(240)과, 수분이 분리된 응축 글리세린을 반응조(100)로 재투입하는 순환관(260)과, 제 2배기라인(240) 입구에 설치되어 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분의 이동을 지연시키는 원추형 갓(270)으로 구성된다.
여기서 상기 제2배기라인(240)는 자동순환 콘덴샤(200) 상부에 형성되어 스팀자켓(220)에 의해 가열시 재증발되는 수분이 배출되고, 이때 자동순환 콘덴샤(200) 상부에 구비되는 원추형 갓(270)에 의해 재증발 수분의 이송에 따른 관로저항을 증가시켜 클리세린이 미분리된 상태로 제2배기라인(240)을 통하여 손실되는 현상이 방지된다.
이처럼 자동순환 콘덴샤(200)에서 비점이 높은 글리세린은 증발하지 않고 추출되고, 추출된 응축 글리세린은 순환관(260)을 개폐하는 밸브가 제어부에 의해 작동되어 반응조(100)로 재투입된다. 이에 반응 전 투입된 유지 및 글리세린이 반응종료 시점까지 일정한 비율로 유지되어 균일 반응을 유지하므로 양질의 글리세라이드가 생성된다.
또한, 본 발명에 따른 냉각 콘덴샤(300)는 상기 제2배기라인(240)에 연결되어, 자동순환 콘덴샤(200)에서 기화되는 수분이 수용되도록 구비되고, 내부에 교대로 이격 배치되는 상, 하부 격벽(310)(320)과, 상, 하부 격벽(310)(320)에 의해 지그재그 방향으로 형성되는 상, 하부 유로(312)(322)와, 하부 유로(322)가 잠기도록 충진되는 냉각수(330)와, 진공펌프(P)에 연결되어 진공을 형성하는 제3배기라인(340)으로 구성된다. 도 4와 같이 냉각 콘덴샤(300) 내부 공간은 복수의 하부 격벽(320)에 복수의 상부가 개방된 냉각수(330) 저장공간이 형성되고, 하부 격벽(320) 사이에는 복수의 상부 격벽(310)이 설치되는바, 이때 상부 격벽(310) 하부는 냉각 콘덴샤(300) 내부 바닥과 이격되면서 냉각수(330)에 잠기도록 구비된다.
이에 냉각 콘덴샤(300) 내부로 이송되는 기화된 수분이 지그재그 방향으로 형성되는 상, 하부 유로(312)(322)를 통과하면서 냉각수(330)와의 열교환에 의해 액화되어 수거처리된다. 그리고 냉각 콘덴샤(300) 측벽에는 수위조절밸브가 설치되어 액화물이 일정수위를 넘어서면 제어부에 의해 수위조절밸브가 개방되어 냉각수를 일부 배출하는 과정을 통하여 냉각수가 일정한 수위로 유지된다.
이때, 상기 반응조(100), 자동순환 콘덴샤(200) 및 냉각 콘덴샤(300)는 제 1, 2, 3배기유로(140)(240)(340)에 의해 연결되고, 진공펌프(P) 작동시 반응조(100), 자동순환 콘덴샤(200) 및 냉각 콘덴샤(300) 내부공간이 동시에 진공 형성된다. 이로 인해 반응조(100) 내에서 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분이 제1배기유로(140)을 통한 강제 배기력이 발생됨과 더불어 자동순환 콘덴샤(200) 내에서 재기화된 수분이 제 2배기유로(240)을 통한 강제 배기력이 발생된다.
또한, 본 발명에 따른 냉각탱크(400)는 상기 반응조(100) 하부에 추출라인(160)을 통하여 연결되어 반응조(100)에서 생성된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 회수하여 냉각 후 저장하도록 구비된다. 추출라인(160)은 밸브에 의해 개폐되고, 밸브 개방에 의해 냉각탱크(400) 내부로 이송된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드는 240℃에서 상온까지 자연냉각되거나, 냉각탱크(400) 내, 외부에 구비되어 냉매가 순환되는 냉각자켓에 의해 강제 냉각되도록 구비된다.
이때 상기 (S1)단계에서 반응조(100)로 투입되는 유지와 글리세린을 냉각탱크(400) 내부 또는 외부에 구비되는 냉각자켓을 경유하도록 구성하여 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드 보유열(240℃)과 열교환 함에 따라 상기 (S2) 단계에서 반응조(100) 가열에 따른 시간단축 및 에너지절감을 한다.
100: 반응조 110: 원료투입구
120: 교반날 130: 스팀자켓
140: 제1배기라인 200: 자동순환 콘덴샤
220: 스팀자켓 240: 제2배기라인
260: 순환관 300: 냉각 콘덴샤
310, 320: 상, 하부 격벽 312, 322: 상, 하부 유로
330: 냉각수 340: 제3배기라인
400: 냉각탱크 P: 진공펌프

Claims (5)

  1. 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법을 구현함에 있어서,
    조지방산(Crude Fatly Acid), 다크유(Dark oil), 동식물성 산유(Acid oil)을 포함하는 지방산이 포함된 유지 70~98 중량부, 정제 또는 비정제 글리세린 2~30 중량부를 반응조(100)에 투입하는 단계(S1);
    상기 (S1)단계의 반응조(100)에 투입된 유지와 정제 또는 비정제 글리세린을 550~700mmHg 조건에서 100℃를 시작점으로 240℃에 도달하기까지 150~160분 동안 진공 가열반응을 유도하여 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 생성하는 단계(S2);
    상기 (S2)단계는, 상기 반응조(100) 내부 온도가 85~95℃에 도달하는 시점부터 진공과정이 시작되도록 하며,
    상기 (S2)단계의 과정에서 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분을 자동순환 콘덴샤(200)로 포집하고, 550~700mmHg, 130~150℃ 조건에서 진공 증류처리하여 수분이 분리된 응축 글리세린을 추출 후 반응조(100)로 재투입하는 단계(S3);
    상기 (S3)단계 이후, 반응조(100)에 생성된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 냉각탱크(400)로 이송하여 50~70℃로 냉각 후 저장하는 단계(S4);를 포함하여 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법이 이루어지되,
    상기 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법은, 조지방산(Crude Fatly Acid), 다크유(Dark oil), 동식물성 산유(Acid oil)을 포함하는 지방산이 포함된 유지 및 정제 또는 비정제 글리세린으로 이루어진 원료가 투입되는 원료투입구(110)와, 원료를 교반하는 교반날(120)과, 원료를 가열하는 스팀자켓(130)과, 원료 가열 중에 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분을 배출하도록 상부로 형성되는 제1배기라인(140)으로 구성되는 반응조(100);
    상기 반응조(100)의 제1배기라인(140)에 연결되어 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분이 포집되도록 구비되고, 글리세린이 흡착된 수분을 130~150℃로 가열하여 수분을 기화시키는 스팀자켓(220)과, 기화된 수분을 배기하는 제2배기라인(240)과, 수분이 분리된 응축 글리세린을 반응조(100)로 재투입하는 순환관(260)과, 제 2배기라인(240) 입구에 설치되어 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분의 이동을 지연시키는 원추형 갓(270)으로 구성되는 자동순환 콘덴샤(200);
    상기 제2배기라인(240)에 연결되어, 자동순환 콘덴샤(200)에서 기화되는 수분이 수용되도록 구비되고, 내부에 교대로 이격 배치되는 상, 하부 격벽(310)(320)과, 상, 하부 격벽(310)(320)에 의해 지그재그 방향으로 형성되는 상, 하부 유로(312)(322)와, 하부 유로(322)가 잠기도록 충진되는 냉각수(330)와, 진공펌프(P)에 연결되어 진공을 형성하는 제3배기라인(340)으로 구성되는 냉각 콘덴샤(300); 및
    상기 반응조(100) 하부에 추출라인(160)을 통하여 연결되어 반응조(100)에서 생성된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드를 회수하여 냉각 후 저장하는 냉각탱크(400)로 구성되는 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드 제조장치에 의해 제조되도록 구성함과 아울러,
    상기 냉각탱크(400) 내부로 이송된 저산가 바이오디젤 원료용 글리세라이드는 냉각탱크(400) 내, 외부에 구비되어 냉매가 순환되는 냉각자켓을 경유하도록 하여 강제 냉각되도록 하며,
    상기 반응조(100), 자동순환 콘덴샤(200) 및 냉각 콘덴샤(300)는 제 1, 2, 3배기유로(140)(240)(340)에 의해 연결되고, 진공펌프(P) 작동시 반응조(100), 자동순환 콘덴샤(200) 및 냉각 콘덴샤(300) 내부공간이 동시에 진공 형성되면서, 반응조(100) 내에서 글리세린이 흡착된 상태로 기화된 수분이 제1배기유로(140)을 통한 강제이송력이 발생되고, 자동순환 콘덴샤(200) 내에서 기화된 수분이 제 2배기유로(240)을 통한 강제이송력이 발생되는 것을 특징으로 하는 지방산 및 유리지방산을 다량 함유한 유지를 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤 원료용 저산가 글리세라이드를 제조하는 방법.
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