KR102297595B1 - Lignin Decomposition System Using Supercritical Fluid and Its Operation Method - Google Patents

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Abstract

리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 원료 공급부; 및 초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응부;를 포함하는 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템으로, 상기 용매는 에탄올 및 물이 4:8 내지 8:2의 중량비로 혼합된 것인 리그닌 분해 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템 및 그 제조방법은 리그닌을 고압의 액화 반응기에 연속 투입할 수 있고, 특수 고안된 반응기에서 액화되어 액상 생성물과 고형 잔재물을 원활히 분리하고, 액상 수율을 극대화하는 효과가 있다.a raw material supply unit for supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent; and a liquefaction reaction unit filled with a fluid in a supercritical state and receiving a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction; as a lignin decomposition system using a supercritical fluid, the solvent is ethanol and water A lignin degradation system is provided which is mixed in a weight ratio of 4:8 to 8:2. The lignin decomposition system and its manufacturing method provided in one aspect of the present invention can continuously inject lignin into a high-pressure liquefaction reactor, and are liquefied in a specially designed reactor to smoothly separate liquid products and solid residues, and maximize the liquid-phase yield. It works.

Description

초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템 및 그 운전방법{Lignin Decomposition System Using Supercritical Fluid and Its Operation Method}Lignin Decomposition System Using Supercritical Fluid and Its Operation Method

본 발명은 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system for decomposing lignin using a supercritical fluid and a method for operating the same.

리그닌(lignin)은 셀룰로오스(cellulose) 및 헤미셀룰로소스(hemi-cellulose)와 더불어 목질계 바이오매스를 구성하는 주요 성분이다. 리그닌은 펄프 제조 과정이나 목질계 바이오매스로부터의 에탄올 제조과정에서 셀룰로오스 등과 분리되어 부산물로 생산되고 있다. 과거에는 분리된 리그닌을 연소하여 공정에너지원으로 활용하였으나, 최근에는 리그닌을 액화하여 고부가가치의 페놀계 원료물질을 제조하거나 액상 연료 등을 제조하는 기술들이 개발되고 있다. 이와 같이 리그닌으로부터 액상의 고부가가치 물질을 대량생산 하기 위해서는 연속 공정개발이 필요하다. Lignin is a major component of lignocellulosic biomass along with cellulose and hemi-cellulose. Lignin is produced as a by-product after being separated from cellulose and the like during the production of pulp or ethanol from lignocellulosic biomass. In the past, the separated lignin was burned and used as a process energy source, but recently, technologies for liquefying lignin to manufacture high value-added phenolic raw materials or liquid fuels have been developed. As such, continuous process development is required to mass-produce liquid high-value-added substances from lignin.

가장 간단한 연속 공정은 급속열분해이다. 급속열분해 기술은 리그닌과 같은 고분자로 구성된 물질에 열을 가하여 저분자 물질로 전환하는 기술로서 반응온도가 연소나 가스화에 비하여 낮고 상압에서 운전되는 장점이 있다. 다만, 급속열분해의 경우 액상물질의 수율이 낮은 문제점이 존재한다.The simplest continuous process is rapid pyrolysis. The rapid pyrolysis technology converts a material composed of a polymer such as lignin into a low-molecular material by applying heat to it. However, in the case of rapid pyrolysis, there is a problem in that the yield of the liquid material is low.

한편, 최근 연구에 의해 리그닌을 아임계수나 초임계유체(예, 초임계 에탄올)에서 액화시키면 높은 수율의 액상 페놀계 물질을 생산할 수 있음이 밝혀졌으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(특허문헌 1). 이 공정은 급속열분해 보다 저온에서 반응이 진행되지만 100기압 이상의 높은 반응압력이 요구되는 어려움이 있으며 이러한 고압에서는 급속열분해 공정에서 흔히 이용되는 스크류 장치를 이용하여 리그닌 원료를 초임계유체 반응기에 연속으로 투입하는 것이 불가능하다. On the other hand, recent studies have revealed that liquefaction of lignin in subcritical water or supercritical fluid (eg, supercritical ethanol) can produce a high yield of liquid phenolic substances, and research on this is being actively conducted (Patent Document) One). In this process, the reaction proceeds at a lower temperature than rapid pyrolysis, but there is a difficulty that a high reaction pressure of 100 atmospheres or more is required. it is impossible to do

게다가, 리그닌은 톱밥에 비하여 훨씬 빠르게 에탄올이나 물 등의 액체와 쉽게 분리 및 침전되는 성질이 있다.In addition, lignin has a property of being easily separated and precipitated from liquids such as ethanol or water much faster than sawdust.

이러한 이유로 현재까지 발표된 대부분의 논문에서는 회분식 반응기에서 리그닌의 액화반응을 다루었다. 그러나 이는 리그닌의 액화 기술이 상용화되기 위해서는 부적합하며, 따라서, 리그닌의 아임계 혹은 초임계유체 액화반응에 의한 액상 고부가 가치 물질을 생산하는 연속 반응장치를 개발하기 위해서는 무엇보다 리그닌을 연속으로 투입하는 시스템의 개발이 필요하다.For this reason, most of the papers published to date dealt with the liquefaction of lignin in a batch reactor. However, this is not suitable for commercialization of the liquefaction technology of lignin. Therefore, in order to develop a continuous reaction device that produces liquid high-value-added substances by subcritical or supercritical fluid liquefaction of lignin, above all else, a system that continuously injects lignin development is needed.

대한민국 공개특허 10-2009-0030967Republic of Korea Patent Publication 10-2009-0030967

본 발명의 일 측면에서의 목적은 리그닌을 액화하기 위한 연속 반응장치 및 그 운전방법을 제공하는데 있다. 보다 상세하게는 리그닌을 액화하기 위한 연속 반응장치의 구체적인 운전조건을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a continuous reactor for liquefying lignin and a method for operating the same. More specifically, it is intended to provide specific operating conditions for a continuous reactor for liquefying lignin.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에서In one aspect of the present invention to achieve the above object

리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 원료 공급부; 및a raw material supply unit for supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent; and

초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응부;를 포함하는 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템으로,A lignin decomposition system using a supercritical fluid comprising a; a liquefaction reaction unit filled with a supercritical fluid and receiving a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction,

상기 용매는 에탄올 및 물이 4:6 내지 8:2의 중량비로 혼합된 것인 리그닌 분해 시스템이 제공된다.The solvent is provided with a lignin decomposition system in which ethanol and water are mixed in a weight ratio of 4:6 to 8:2.

또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 원료 공급부; 및 초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응부;를 포함하는 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템의 운전방법으로,a raw material supply unit for supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent; and a liquefaction reaction unit filled with a supercritical fluid and receiving a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction;

상기 원료 공급부에서 리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 단계(단계 1);supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent from the raw material supply unit (step 1);

상기 액화 반응부를 초임계유체용 용매로 채운 후 반응압력 및 반응온도로 설정하는 단계(단계 2); 및setting the reaction pressure and reaction temperature after filling the liquefaction reaction unit with a solvent for a supercritical fluid (step 2); and

원료 공급부의 압력을 반응부의 반응압력과 동일하게 설정한 후, 반응부로 원료를 공급하여 액화반응을 수행하는 단계(단계 3)를 포함하고,After setting the pressure of the raw material supply unit to be the same as the reaction pressure of the reaction unit, supplying the raw material to the reaction unit to perform a liquefaction reaction (step 3),

상기 용매는 에탄올 및 물이 4:6 내지 8:2의 중량비로 혼합되는 것인 리그닌 분해 시스템의 운전방법이 제공된다.The solvent is provided as a method of operating a lignin decomposition system in which ethanol and water are mixed in a weight ratio of 4:6 to 8:2.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

상기 리그닌 분해 시스템에 의하여 수행되는 리그닌 분해방법이 제공된다.There is provided a lignin degradation method performed by the lignin degradation system.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

상기 리그닌 분해방법에 의하여 제조되는 페놀계 화합물이 제공된다.A phenolic compound prepared by the lignin decomposition method is provided.

나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention

상기 리그닌 분해방법에 의하여 제조되는 액상 연료가 제공된다.A liquid fuel produced by the lignin decomposition method is provided.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템 및 그 제조방법은 리그닌을 고압의 액화 반응기에 연속 투입할 수 있고, 특수 고안된 반응기에서 액화되어 액상 생성물과 고형 잔재물을 원활히 분리하고, 액상 수율을 극대화하는 효과가 있다.The lignin decomposition system and its manufacturing method provided in one aspect of the present invention can continuously inject lignin into a high-pressure liquefaction reactor, and are liquefied in a specially designed reactor to smoothly separate liquid products and solid residues, and maximize the liquid-phase yield. It works.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서 리그닌 시료를 전처리하는 과정을 보여주는 이미지이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 리그닌 분해 시스템의 개략도 및 사진을 보여주는 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예의 리그닌 투입, 액화, 생성물 분리 과정의 공정 흐름도를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실험예에서 리그닌의 액화 운전결과를 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따라 용매의 에탄올:물 중량비에 따른 리그닌의 상온 혼합도를 보여주는 이미지이고,
도 6은 본 발명의 일 실험예에서 얻은 액상연료의 GC-MS 분석실험 결과를 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실험예에서 용매의 에탄올:물 중량비에 따른 리그닌 액화 생성가스의 농도를 보여주는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 다른 실험예에서 반응온도에 따른 리그닌 액화 생성가스의 농도를 보여주는 그래프이고,
도 9는 본 발명의 다른 일 실험예에서 얻은 액상연료의 리그닌 농도별 GS-MS 분석실험 결과를 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실험예에서 얻은 액상연료의 GC-MS 분석결과를 나타낸 것이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 리그닌 분해 시스템의 구체적인 예를 보여주는 모식도이다.
1 is an image showing a process of pre-treating a lignin sample in an embodiment of the present invention,
Figure 2 shows a schematic diagram and a photograph of a lignin degradation system used in an embodiment of the present invention,
Figure 3 shows a process flow diagram of the lignin input, liquefaction, product separation process in an embodiment of the present invention,
4 is a graph showing the liquefaction operation result of lignin in an experimental example of the present invention;
5 is an image showing the room temperature mixing degree of lignin according to the ethanol:water weight ratio of the solvent according to an experimental example of the present invention;
6 shows the results of GC-MS analysis of liquid fuel obtained in an experimental example of the present invention;
7 is a graph showing the concentration of lignin liquefied product gas according to the ethanol:water weight ratio of the solvent in an experimental example of the present invention;
8 is a graph showing the concentration of lignin liquefied product gas according to the reaction temperature in another experimental example of the present invention;
9 shows the results of GS-MS analysis by lignin concentration of liquid fuel obtained in another experimental example of the present invention;
10 shows the results of GC-MS analysis of liquid fuel obtained in another experimental example of the present invention;
11 is a schematic diagram showing a specific example of a lignin degradation system used in an embodiment of the present invention.

또한 특별히 정의가 되지 않은 본 명세서에서의 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자 모두에게 이해가 가능한 의미로 사용할 수 있을 것이다.In addition, all terms in this specification that are not specifically defined may be used in a meaning that is understandable to all those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

그러나 이는 본 발명은 하단에 기술될 특정한 실시예에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, it should be understood that the present invention is not intended to be limited only to the specific embodiments to be described below, and includes all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 다른 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며, 본 명세서에서 제시하는 실시예는 가장 바람직한 실시예일 뿐이다.Accordingly, there may be other equivalents and modifications to the embodiments described herein, and the embodiments presented herein are only the most preferred embodiments.

본 발명의 일 측면에서In one aspect of the invention

리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 원료 공급부; 및a raw material supply unit for supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent; and

초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응부;를 포함하는 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템으로,A lignin decomposition system using a supercritical fluid comprising a; a liquefaction reaction unit filled with a supercritical fluid and receiving a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction,

상기 용매는 에탄올 및 물이 4:6 내지 8:2의 중량비로 혼합된 것인 리그닌 분해 시스템이 제공된다.The solvent is provided with a lignin decomposition system in which ethanol and water are mixed in a weight ratio of 4:6 to 8:2.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템을 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the lignin degradation system provided in one aspect of the present invention will be described in detail for each configuration.

먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템은 원료 공급부를 포함한다.First, the lignin decomposition system provided in one aspect of the present invention includes a raw material supply unit.

상기 원료 공급부는 리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급한다.The raw material supply unit supplies a raw material that is a mixture of lignin and a solvent.

상기 용매는 에탄올 및 물이 4:6 내지 8:2의 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 바람직하게는 4.5:5.5 내지 7.8:2.2, 더 바람직하게는 4.8:5.2 내지 7.3:2.7일 수 있다.The solvent may be a mixture of ethanol and water in a weight ratio of 4:6 to 8:2. Preferably 4.5:5.5 to 7.8:2.2, more preferably 4.8:5.2 to 7.3:2.7.

추후 생성되는 고상의 생성물 입장에서, 상기 에탄올 및 물의 중량비는 6.5:3.5 내지 7:5:2.5가 바람직할 수 있고, 또한 4.5:5.5 내지 5.5:4.5가 바람직할 수 있다. From the standpoint of the solid product to be produced later, the weight ratio of ethanol and water may be preferably 6.5:3.5 to 7:5:2.5, and also preferably 4.5:5.5 to 5.5:4.5.

추후 생성되는 액상의 생성물 입장에서, 상기 에탄올 및 물의 중량비는 5.5:4.5 내지 7:5:3.5가 바람직할 수 있고, 5.5:4.5 내지 6.5:5.5가 바람직할 수 있다.From the standpoint of a liquid product to be produced later, the weight ratio of ethanol and water may be preferably 5.5:4.5 to 7:5:3.5, and preferably 5.5:4.5 to 6.5:5.5.

추후 생성되는 기상의 생성물 입장에서, 상기 에탄올 및 물의 중량비는 4:6 내지 6.5:4.5가 바람직할 수 있고, 4.5:5.5 내지 5.5:4.5가 바람직할 수 있다.From the standpoint of a gaseous product to be produced later, the weight ratio of ethanol and water may be preferably 4:6 to 6.5:4.5, and preferably 4.5:5.5 to 5.5:4.5.

이 중, 액상의 생성물이 최대가 되는 조건이 특히 바람직할 수 있다.Among them, the condition in which the liquid product is maximized may be particularly preferable.

상기 에탄올 및 물의 중량비가 4:6 미만이거나 8:2를 초과하는 경우, 리그닌 잔재물을 액화 반응부에 투입하기 어렵다는 문제점이 있을 수 있다.When the weight ratio of ethanol and water is less than 4:6 or exceeds 8:2, there may be a problem in that it is difficult to introduce the lignin residue into the liquefaction reaction unit.

상기 원료 공급부는 실린더를 포함하며, 상기 실린더는 리그닌 및 용매의 혼합물을 원료로 공급받아 수용하는 원료 수용부; 원료 수용부와 유체 수용부를 구분하면서 움직일 수 있는 격벽 및 상기 격벽에 압을 가할 수 있는 유체를 수용할 수 있는 유체 수용부를 포함할 수 있다.The raw material supply unit includes a cylinder, and the cylinder includes a raw material receiving unit for receiving and receiving a mixture of lignin and a solvent as a raw material; The partition wall may include a movable partition wall and a fluid accommodation part capable of accommodating a fluid capable of applying pressure to the partition wall while separating the raw material receiving part and the fluid receiving part.

또한, 상기 원료 공급부는 리그닌 및 용매를 혼합 및 저장하는 원료 저장조; 상기 원료를 원료 수용부로 이송시키는 상압 펌프를 포함할 수 있다. 상기 원료 저장조는 일정한 무게비의 리그닌과 초임계유체용 용매를 균일하게 혼합함과 동시에 저장하는 저장조로서, 균일하게 혼합된 리그닌 및 용매의 혼합 원료를 원료 수용부로 이송시킬 수 있다. 상기 리그닌 및 용매의 혼합 원료의 제조 및 저장은 상온, 상압에서 200 rpm 내지 1,000 rpm, 바람직하게는 300 rpm 이상의 교반 속도로 교반할 수 있다. 상기 원료 저장조는 리그닌 및 용매의 혼합 원료의 균일한 혼합 상태를 유지하기 위해 교반을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 원료 저장조는 교반을 수행할 수 있는 교반 수단을 포함할 수 있다.In addition, the raw material supply unit is a raw material storage tank for mixing and storing the lignin and the solvent; It may include an atmospheric pump for transferring the raw material to the raw material receiving unit. The raw material storage tank is a storage tank that uniformly mixes and stores lignin and a solvent for a supercritical fluid in a constant weight ratio, and may transfer the uniformly mixed raw material of the lignin and the solvent to the raw material receiving unit. The preparation and storage of the mixed raw material of the lignin and the solvent may be stirred at a stirring speed of 200 rpm to 1,000 rpm, preferably 300 rpm or more at room temperature and pressure. The raw material storage tank preferably maintains agitation in order to maintain a uniform mixing state of the mixed raw material of lignin and solvent. The raw material storage tank may include a stirring means capable of performing stirring.

나아가, 상기 원료 공급부는 유체를 저장하는 유체 저장조; 및 상기 유체를 유체 수용부로 공급하기 위한 고압펌프를 포함할 수 있다. 상기 유체는 상온 및 400 bar 이하의 압력에서 액체로 존재하는 물질로서, 물, 에탄올, 메탄올 등일 수 있다. 고압펌프를 통하여 유체 저장조에서 유체 수용부로 운반되는 유체는 격벽을 하부로 밀어 원료 수용부의 혼합된 원료를 후단에 설치될 수 있는 반응부로 운반하는 역할을 한다. 상기 유체와 원료는 격벽에 의하여 완전히 차단된 상태로 서로 혼합되지 않는 것이 바람직하다.Furthermore, the raw material supply unit includes a fluid storage tank for storing the fluid; and a high-pressure pump for supplying the fluid to the fluid accommodating part. The fluid is a material that exists as a liquid at room temperature and a pressure of 400 bar or less, and may be water, ethanol, methanol, or the like. The fluid transferred from the fluid storage tank to the fluid accommodating part through the high-pressure pump serves to transport the mixed raw material of the raw material accommodating part to the reaction part which can be installed at the rear end by pushing the partition wall downward. Preferably, the fluid and the raw material are not mixed with each other in a state in which they are completely blocked by the partition wall.

이 때, 상기 원료 저장조는 원료 수용부와 연통되는 공급 라인을 포함할 수 있으며, 상기 공급 라인은 공급 유량을 제어하기 위한 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 상기 밸브는 일례로 제1 밸브일 수 있다. 또한, 상기 공급 라인은 리그닌과 용매의 분리를 방지하기 위해 원료 저장조와 원료 수용부 사이 공간을 최소화하고, 수평으로 유지하는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 유체는 물을 포함하나, 격벽에 압을 가할 수 있는 유체라면 제한 없이 사용 가능하다.In this case, the raw material storage tank may include a supply line communicating with the raw material receiving unit, the supply line may include one or more valves for controlling the supply flow rate. The valve may be, for example, a first valve. In addition, it is preferable that the supply line minimizes the space between the raw material storage tank and the raw material receiving part in order to prevent separation of the lignin and the solvent, and is maintained horizontally. Furthermore, the fluid includes water, but any fluid capable of applying pressure to the partition wall may be used without limitation.

상기 실린더는 상층실과 하층실로 나뉘되, 상기 상층실과 하층실은 서로로부터 탈부착이 가능하고, 상기 원료 공급부는 상층실과 하층실이 탈부착되는 부위를 포함하여 상층실의 압력을 유지시키는 고압용 커버를 포함할 수 있다. 이때, 상기 상층실과 하층실의 탈부착은 스크류 타입을 통해 달성되는 것이 바람직하다.The cylinder is divided into an upper chamber and a lower chamber, the upper chamber and the lower chamber are detachable from each other, and the raw material supply unit includes a portion where the upper chamber and the lower chamber are detachably attached. can At this time, it is preferable that the attachment and detachment of the upper chamber and the lower chamber is achieved through a screw type.

여기서, 상기 고압용 커버는 고압상태에서 상층실을 고정해 주는 역할을 하며, 고압용 커버를 풀면 상층실을 하층실과 분리할 수 있고, 상층실이 분리된 상태에서 실린더 내부의 격벽을 제거하거나 교체할 수 있다.Here, the high-pressure cover serves to fix the upper chamber in a high-pressure state, and when the high-pressure cover is released, the upper chamber can be separated from the lower chamber, and the partition wall inside the cylinder is removed or replaced while the upper chamber is separated. can do.

상기 상층실은 상단 중앙에 유체 주입용 관로가 형성되어 있으며, 이 관로를 통해 격벽 압을 가할 수 있는 유체가 유체 수용부로 주입될 수 있다. 이때, 상기 유체 주입용 관로의 내부 직경 범위는 특별히 제한되는 것은 아니나 바람직하게는 3/4 인치(0.75 인치) 내지 1.5 인치의 범위일 수 있다. 상기 내부직경이 3/4 인치(0.75 인치) 미만일 경우 유체를 유체 수용부로 투입하기 어렵고, 내부직경이 1.5 인치를 초과할 경우 고압조건에서 유체 주입용 관로에 장착된 밸브로는 유체의 투입량을 조절하기 어려운 문제점이 있다.In the upper chamber, a fluid injection pipe is formed in the upper center of the upper chamber, and a fluid capable of applying pressure to the barrier rib may be injected into the fluid receiving part through this pipe pipe. In this case, the inner diameter range of the fluid injection pipe is not particularly limited, but may preferably be in the range of 3/4 inch (0.75 inch) to 1.5 inch. When the inner diameter is less than 3/4 inch (0.75 inch), it is difficult to inject the fluid into the fluid receiving part. There is a problem that is difficult to do.

또한, 상기 상층실 상단 일부분에 공기 배출용 관로가 형성되어 있으며, 이 관로를 통해 원료 수용부에 원료가 공급되면서 압력이 발생하면 격벽을 위쪽으로 밀어 올릴 수 있다. 이때, 상기 공기 배출용 관로는 유체 저장조와 연결될 수 있다.In addition, a pipe for discharging air is formed in the upper part of the upper chamber, and when a pressure is generated while the raw material is supplied to the raw material receiving part through this pipe, the bulkhead can be pushed upward. At this time, the air discharge pipe may be connected to the fluid storage tank.

상기 원료 공급부는 교반 수단을 포함하며, 상기 교반 수단은 상기 원료 수용부 내에 구비되어 원료를 교반시킬 수 있다.. The raw material supply unit may include a stirring unit, and the stirring unit may be provided in the raw material receiving unit to stir the raw material.

상기 격벽이 교반 수단과 접촉할 수 없도록 교반 수단이 위치하는 원료 수용부 일부분의 직경은 격벽의 직경보다 작아 턱이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 턱이 형성됨에 따라 격벽은 교반 수단과 접촉할 수 없다.It is preferable that the diameter of a portion of the raw material receiving portion in which the stirring means is located is smaller than the diameter of the partition so that the partition wall cannot come into contact with the stirring means so that the jaws are formed. As the jaws are formed, the septum cannot contact the stirring means.

상기 교반 수단은 교반기를 포함할 수 있으며, 상기 교반기는 수평형 블레이드 또는 수직형 블레이드를 포함하고, 바람직하게는 수직형 블레이드를 포함할 수 있다. 수직형 블레이드를 사용할 경우 배출부로 배출되는 리그닌 및 용매 혼합물 중 리그닌의 함량이 혼합물 수용부에 공급된 초기 리그닌 함량의 99% 이상을 나타냄으로 균일하게 혼합되는 효과를 갖는다. 이때, 상기 교반기는 일자형 또는 십자형으로 블레이드가 배향될 수 있다.The stirring means may include a stirrer, and the stirrer may include a horizontal blade or a vertical blade, preferably a vertical blade. When a vertical blade is used, the content of lignin in the lignin and solvent mixture discharged to the discharge part represents 99% or more of the initial lignin content supplied to the mixture receiving part, so that the mixture is uniformly mixed. At this time, the agitator blades may be oriented in a straight or cross shape.

또한, 상기 교반 수단의 교반 속도는 200 rpm 내지 1000 rpm일 수 있으며, 300 rpm 이상일 수 있다. 교반 속도가 200 rpm 미만일 경우 혼합물이 충분히 교반되지 않는 문제점이 있을 수 있고, 1000 rpm을 초과할 경우 불필요한 에너지가 요구되는 문제점이 있다.In addition, the stirring speed of the stirring means may be 200 rpm to 1000 rpm, 300 rpm or more. When the stirring speed is less than 200 rpm, there may be a problem that the mixture is not sufficiently stirred, and when it exceeds 1000 rpm, there is a problem that unnecessary energy is required.

상기 원료 공급부는 배출부를 포함할 수 있으며, 상기 원료 수용부 일부분에 배치되어 상기 교반 수단에 의해 교반된 원료를 배출할 수 있다.The raw material supply unit may include a discharge unit, and may be disposed in a portion of the raw material receiving unit to discharge the raw material stirred by the stirring means.

상기 배출부는 원료 수용부의 하단 또는 측면에 배치될 수 있으며, 바람직하게는 하단에 배치될 수 있다.The discharge unit may be disposed at the lower end or side of the raw material receiving unit, preferably at the lower end.

또한, 상기 배출부는 내부직경이 3/8 인치 이상일 수 있다.In addition, the discharge portion may have an inner diameter of 3/8 inch or more.

이때, 배출부의 내부직경이 3/8 인치 미만일 경우 리그닌과 용매의 분리현상이 발생하여 리그닌은 관로 벽에 부착되어 쌓이고 용매만 관로를 통과하게 되는 문제점이 발생할 수 있다.At this time, when the inner diameter of the discharge part is less than 3/8 inch, separation of lignin and solvent may occur, causing the lignin to adhere to and accumulate on the pipe wall, and only the solvent may pass through the pipe.

나아가, 상기 배출부에는 상기 공급 라인과 동일하게 하나의 밸브를 포함하여 배출부를 통과하는 리그닌과 용매 혼합물의 투입량을 제어할 수 있다.Furthermore, the discharge unit may include a single valve in the same manner as in the supply line to control the input amount of the lignin and solvent mixture passing through the discharge unit.

상기 리그닌 및 용매의 혼합물에서 리그닌은 5 wt% 내지 40 wt% 포함될 수 있으며, 바람직하게는 10 wt% 내지 30 wt%일 수 있다.In the mixture of lignin and solvent, 5 wt% to 40 wt% of lignin may be included, and preferably 10 wt% to 30 wt%.

상기 혼합물에서 리그닌의 함량이 40 wt%를 초과하는 경우 액화 반응부로의 투입이 어려워지며, 액상 생성물의 수율이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.When the content of lignin in the mixture exceeds 40 wt%, it is difficult to input to the liquefaction reaction unit, and there is a problem that the yield of the liquid product may be reduced.

상기 리그닌은 강산가수분해(concentrated sulfuric acid hydrolysis, CSAH) 리그닌일 수 있다. The lignin may be concentrated sulfuric acid hydrolysis (CSAH) lignin.

상기 강산가수분해 리그닌은 Kraft 리그닌에 비하여 저렴하다는 장점이 있다.The strong acid hydrolyzed lignin has the advantage of being cheaper than Kraft lignin.

강산가수분해 리그닌은 바이오알코올 생산과정에서 발생하는 부산물로 펄프 제조과정에서 발생하는 Kraft 리그닌에 비하여 분자량이 크고 표면에 관능기(functional groups)가 적어 액화 반응기에 투입이 상대적으로 어렵다. Strong acid hydrolyzed lignin is a by-product generated in the bioalcohol production process and has a higher molecular weight and fewer functional groups on the surface than Kraft lignin generated in the pulp production process, making it relatively difficult to put into a liquefaction reactor.

다만, 본 발명에서는 강산가수분해 리그닌을 고압의 액화반응기에 투입하는 운전조건을 제시함으로써, 강산가수분해 리그닌을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은 강산가수분해 리그닌은 Kraft 리그닌에 비하여 액화가 어렵기 때문에 최적의 액화반응 조건을 제시할 수 있다.However, in the present invention, the strong acid hydrolyzed lignin can be used by presenting the operating conditions for introducing the strong acid hydrolyzed lignin to the high-pressure liquefaction reactor. In addition, the present invention can suggest optimal liquefaction reaction conditions because strong acid hydrolyzed lignin is difficult to liquefy compared to Kraft lignin.

다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템은 액화 반응부를 포함한다.Next, the lignin decomposition system provided in one aspect of the present invention includes a liquefaction reaction unit.

상기 액화 반응부는 초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행할 수 있다.The liquefaction reaction unit may be filled with a supercritical fluid, and may receive a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction.

상기 액화 반응부는 상기 원료 공급부로부터 배출되는 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응기 및 상기 액화 반응기에서 발생하는 고상 생성물을 분리하는 고상 생성물 분리기를 포함할 수 있다.The liquefaction reaction unit may include a liquefaction reactor that receives the raw material discharged from the raw material supply unit and performs a liquefaction reaction, and a solid product separator that separates a solid product generated in the liquefaction reactor.

상기 액화 반응부는 가열기를 포함할 수 있으며, 액화 반응기 외주면으로 가열기가 형성될 수 있다.The liquefaction reaction unit may include a heater, and the heater may be formed on the outer peripheral surface of the liquefaction reactor.

이때, 상기 액화 반응부는 액화 반응기와 고상 생성물 분리기 사이에 필터를 포함할 수 있으며, 구체적인 일례로 상기 액화 반응기 하단에 필터를 설치하여 고상 생성물을 액상 생성물 및 기상 생성물과 분리할 수 있다. 상기 액화 반응기 내부에는 원료 공급부 하단과 연결된 원료 투입용 튜브가 통과할 수 있다. 상기 원료 투입용 튜브는 바람직하게는 0.5 cm 이상의 내경을 가질 수 있으며, 0.5 cm 내지 5 cm일 수 있다. 상기 원료 투입용 튜브는 원료 공급부 하단에서 고상 생성물 분리기 상단까지 수직으로 설치하여 원료에 포함된 고농도의 리그닌이 밸브나 라인에서 에탄올 등의 초임계유체용 용매와 분리되는 것을 방지할 수 있다. 상기 원료는 액화 반응기를 통과하면서 가열되어 용매는 초임계유체로 전환되고 리그닌의 액화 반응이 진행될 수 있다. 상기 원료의 예열 및 액화 반응은 액화 반응기 외부에 설치된 가열기를 이용하여 간접적으로 이루어지며, 상기 가열기는 전기로나 연소로일 수 있다. 상기 액화 반응기는 반응온도 및 반응압력을 유지할 수 있으며, 상기 반응온도는 최소 300℃ 이상, 바람직하게는 350℃ 이상, 350℃ 내지 500℃일 수 있고, 상기 반응압력은 200 bar 이상, 200 bar 내지 400 bar 범위에서 가능한 높게 유지하여 투입되는 원료 내의 용매(에탄올 및 물)가 초임계 상태에 도달하게 하고 리그닌은 초임계유체와 반응하여 최대한 액화되도록 할 수 있다. In this case, the liquefaction reaction unit may include a filter between the liquefaction reactor and the solid product separator, and as a specific example, a filter may be installed at the bottom of the liquefaction reactor to separate the solid product from the liquid product and the gaseous product. A tube for inputting the raw material connected to the lower end of the raw material supply unit may pass inside the liquefaction reactor. The tube for inputting the raw material may have an inner diameter of preferably 0.5 cm or more, and may be 0.5 cm to 5 cm. The raw material input tube is installed vertically from the lower end of the raw material supply unit to the upper end of the solid product separator to prevent the high concentration of lignin contained in the raw material from being separated from the solvent for supercritical fluid, such as ethanol, in a valve or line. The raw material is heated while passing through the liquefaction reactor, the solvent is converted to a supercritical fluid, and the liquefaction reaction of lignin may proceed. The preheating and liquefaction reaction of the raw material is indirectly performed using a heater installed outside the liquefaction reactor, and the heater may be an electric furnace or a combustion furnace. The liquefaction reactor may maintain the reaction temperature and reaction pressure, the reaction temperature may be at least 300 ℃ or more, preferably 350 ℃ or more, 350 to 500 ℃, the reaction pressure is 200 bar or more, 200 bar to By maintaining it as high as possible in the range of 400 bar, the solvent (ethanol and water) in the input raw material can reach the supercritical state, and the lignin can react with the supercritical fluid to liquefy as much as possible.

또한, 상기 액화 반응부는 액화 반응기 상단에 밸브를 포함할 수 있으며, 상기 밸브는 외부 환경과 연결될 수 있다. 상기 액화 반응기 내부에 초임계유체가 채워지는데, 일반적으로 반응기 내부에 초임계유체를 가득 채워지지 않는다. 이에, 본 발명에 따른 리그닌 분해 시스템의 액화 반응기는 상단 일부분에 밸브를 형성하여, 초임계유체를 채움에 있어서 밸브를 열어 반응기 최상단부까지 초임계유체를 채울 수 있다.In addition, the liquefaction reaction unit may include a valve at the top of the liquefaction reactor, the valve may be connected to the external environment. The supercritical fluid is filled inside the liquefaction reactor, but in general, the supercritical fluid is not fully filled in the reactor. Accordingly, in the liquefaction reactor of the lignin decomposition system according to the present invention, a valve is formed in the upper part, so that the supercritical fluid can be filled up to the uppermost part of the reactor by opening the valve when filling the supercritical fluid.

나아가, 상기 고상 생성물 분리기도 가열기를 포함하며, 고상 생성물 분리기 외주면으로 가열기가 형성될 수 있다. 또한, 상기 고상 생성물 분리기는 액화 반응기로부터 분리된 고상 생성물의 배출을 위한 고상 생성물 분리기 하단에 배치되는 배출 밸브를 포함할 수 있다. 상기 액화 반응기를 통과하면서 원료에 포함된 용매는 초임계유체가 되고 리그닌의 액화 반응이 진행될 수 있다. 그 결과 액상 생성물, 기상 생성물 및 고상 생성물이 발생한다. 상기 고상 생성물 분리기는 300℃ 내외의 온도, 바람직하게는 200℃ 내지 400℃의 온도 범위, 200 bar 내지 400 bar의 압력 범위에서 액화 반응기와 동일한 압력으로 운전되며 고상 생성물을 중력에 의하여 침전시켜 액상 생성물 및 기상 생성물로부터 분리한다. 상기 액상 생성물 및 기상 생성물은 상부의 액화 반응기를 통과하면서 약 350℃ 정도로 가열되어 촉매 반응부로 투입될 수 있다. 고상 생성물이 일정량 누적되면 하단의 고온, 고압 밸브를 이용하여 반응조건에 영향을 주지 않는 범위에서 고형물을 배출할 수 있다.Furthermore, the solid product separator may also include a heater, and the heater may be formed on an outer peripheral surface of the solid product separator. In addition, the solid product separator may include a discharge valve disposed at the bottom of the solid product separator for discharging the separated solid product from the liquefaction reactor. As it passes through the liquefaction reactor, the solvent contained in the raw material becomes a supercritical fluid, and the liquefaction reaction of lignin may proceed. The result is a liquid product, a gaseous product and a solid product. The solid product separator is operated at the same pressure as the liquefaction reactor at a temperature of about 300° C., preferably in a temperature range of 200° C. to 400° C., and in a pressure range of 200 bar to 400 bar, and precipitates the solid product by gravity to obtain a liquid product. and from the gaseous product. The liquid product and the gaseous product may be heated to about 350° C. while passing through the upper liquefaction reactor to be introduced into the catalyst reaction unit. When a certain amount of solid products are accumulated, the solids can be discharged in a range that does not affect the reaction conditions by using the high-temperature and high-pressure valves at the bottom.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템은 촉매 반응부를 더 포함할 수 있다.The lignin decomposition system provided in one aspect of the present invention may further include a catalytic reaction unit.

상기 촉매 반응부는 초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 액화 반응부에서 발생하는 반응 생성물을 공급받아 촉매 반응을 수행할 수 있다.The catalytic reaction unit may be filled with a fluid in a supercritical state, and may be supplied with a reaction product generated in the liquefaction reaction unit to perform a catalytic reaction.

상기 촉매 반응부는 고상 촉매가 충전된 촉매 반응기 및 가열기를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 초임계유체를 분해하여 이로부터 반응성이 좋은 수소와 같은 환원성 라디칼을 생성하는 역할과, 생성된 라디칼 및 액상 생성물의 산화유기화합물을 반응시켜 이로부터 산소를 제거하는 탈산소 반응을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 상기 촉매는 바람직하게는 메조포어가 잘 발달된 지지체에 니켈 등과 같은 상기 반응에 활성을 갖는 금속을 잘 분산 및 담지된 촉매일 수 있다. 상기 촉매는 초임계유체와 생성물의 흐름에 방해가 되지 않는 수준에서 적당한 입도를 갖도록 성형하여 충전할 수 있다. 촉매 반응기 외부에 전기로 또는 연소로인 가열기를 설치하여 촉매 반응기 내 촉매의 온도를 최소 300℃ 이상, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃, 300℃ 내지 350℃ 범위로 유지하고, 반응압력은 200 bar 내지 400 bar 범위에서 액화 반응기 및 고상 생성물 분리기와 동일한 압력을 유지할 수 있다.The catalyst reaction unit may include a catalyst reactor and a heater filled with a solid catalyst. The catalyst decomposes the supercritical fluid to generate a reducing radical such as hydrogen with good reactivity therefrom, and promotes a deoxidation reaction that removes oxygen from the generated radical and the oxidized organic compound of the liquid product by reacting it. can play a role The catalyst may be a catalyst in which a metal having activity in the reaction, such as nickel, is well dispersed and supported on a support in which mesopores are well developed. The catalyst may be filled and molded to have an appropriate particle size at a level that does not interfere with the flow of the supercritical fluid and the product. A heater, which is an electric furnace or a combustion furnace, is installed outside the catalytic reactor to maintain the temperature of the catalyst in the catalytic reactor at least 300°C or higher, preferably in the range of 300°C to 500°C, and 300°C to 350°C, and the reaction pressure is 200 bar It is possible to maintain the same pressure as the liquefaction reactor and the solid product separator in the range of to 400 bar.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템은 초임계유체용 용매를 저장하는 초임계유체용 용매 저장조 및 상기 용매를 반응기에 공급하기 위한 고압펌프를 더 포함할 수 있다. 상기 초임계유체용 용매 저장조는 반응온도 및 반응압력 조건에서 초임계유체 역할을 하는 유기 용매의 저장조이며, 상기 고압펌프는 상기 초임계유체용 용매 저장조 내 유기 용매를 액화 반응기, 고상 생성물 분리기, 촉매 반응기 등과 같은 단위장치들에 투입하는 역할을 할 수 있다.The lignin decomposition system provided in one aspect of the present invention may further include a solvent storage tank for supercritical fluid for storing the solvent for the supercritical fluid, and a high-pressure pump for supplying the solvent to the reactor. The solvent storage tank for the supercritical fluid is a storage tank of an organic solvent serving as a supercritical fluid at reaction temperature and reaction pressure conditions, and the high pressure pump transfers the organic solvent in the solvent storage tank for the supercritical fluid to a liquefaction reactor, a solid product separator, a catalytic reactor, etc. It can serve as input to the same unit devices.

상기 리그닌 분해 시스템의 운전 초기에 원료 공급부 하단에 설치된 액화 반응기, 고상 생성물 분리기, 촉매 반응기 등에 투입하여 반응온도와 반응압력 조건에서 상기 단위 장치의 초임계유체 상태를 유지하는 역할을 한다. 또한, 리그닌을 포함하는 혼합 원료의 희석이 필요한 경우에는 액화 반응 운전 중에 투입하여 리그닌의 투입 농도를 조절하는 역할도 할 수 있다.At the initial stage of operation of the lignin decomposition system, it is introduced into a liquefaction reactor, a solid product separator, a catalytic reactor, etc. installed at the bottom of the raw material supply unit to maintain the supercritical fluid state of the unit device under the reaction temperature and reaction pressure conditions. In addition, when dilution of the mixed raw material containing lignin is required, it may be added during the liquefaction reaction operation to control the input concentration of lignin.

또한, 상기 리그닌 분해 시스템은 촉매 반응부 후단에 위치하여 촉매 반응부에서 형성된 반응 생성물을 냉각시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다. 상기 열교환기는 촉매 반응부에서 발생한 반응 생성물을 반응온도에서 상온으로 냉각하는 역할을 할 수 있다. 압력은 200 bar 내지 400 bar 범위에서 액화 반응기, 고상 생성물 분리기, 촉매 반응기와 동일한 압력 범위일 수 있다.In addition, the lignin decomposition system may further include a heat exchanger located at the rear end of the catalyst reaction unit to cool the reaction product formed in the catalyst reaction unit. The heat exchanger may serve to cool the reaction product generated in the catalyst reaction unit from the reaction temperature to room temperature. The pressure may range from 200 bar to 400 bar, the same pressure range as the liquefaction reactor, the solid product separator, the catalytic reactor.

나아가, 상기 리그닌 분해 시스템은 분해 시스템 내 압력을 일정하게 제어하는 후압 제어기(back-pressure regulator)를 더 포함할 수 있다. 구체적인 일례로, 상기 후압 제어기는 원료 공급부의 실린더의 원료 수용부, 액화 반응기, 고상 생성물 분리기, 촉매 반응기, 열교환기의 압력을 일정하게 제어하는 역할을 할 수 있다. 상기 후압 제어기는 촉매 반응기 후단, 더 바람직하게는 열교환기 후단에 위치할 수 있으며, 반응 생성물이 후압 제어기를 통과하면 상압으로 감압될 수 있다.Furthermore, the lignin digestion system may further include a back-pressure regulator for constantly controlling the pressure in the digestion system. As a specific example, the back-pressure controller may serve to constantly control the pressures of the raw material receiving part of the cylinder of the raw material supply part, the liquefaction reactor, the solid product separator, the catalytic reactor, and the heat exchanger. The back pressure controller may be located at the rear end of the catalytic reactor, more preferably at the rear end of the heat exchanger, and when the reaction product passes through the back pressure controller, the pressure may be reduced to normal pressure.

또한, 상기 리그닌 분해 시스템은 촉매 반응부 후단에 위치하여 반응 생성물을 기상 및 액상으로 분리하는 기액 분리기를 더 포함할 수 있다. 상기 기액 분리기는 상온 및 상압의 생성물을 기상과 액상으로 분리하는 역할을 한다. 기상 생성물은 기액 분리기 상부로 배출되고, 액상 생성물은 기액 분리기 하부로부터 얻는다.In addition, the lignin decomposition system may further include a gas-liquid separator positioned at the rear end of the catalyst reaction unit to separate the reaction product into a gas phase and a liquid phase. The gas-liquid separator serves to separate the product at room temperature and atmospheric pressure into a gas phase and a liquid phase. The gaseous product is discharged to the top of the gas-liquid separator, and the liquid product is obtained from the bottom of the gas-liquid separator.

이때, 상기 리그닌 분해 시스템은 기상 생성물의 생성 유속을 실시간 측정하기 위한 가스 유속 측정기를 포함할 수 있다. 상기 가스 유속 측정기는 기액 분리기와 연결되어 기상 생성물의 생성 유속을 측정할 수 있으며, 구체적인 일례로 습식가스미터(wet test meter)를 사용할 수 있다.In this case, the lignin decomposition system may include a gas flow rate meter for measuring the flow rate of the gaseous product in real time. The gas flow rate meter may be connected to the gas-liquid separator to measure the flow rate of the gaseous product, and a wet test meter may be used as a specific example.

나아가, 상기 리그닌 분해 시스템은 온도 및 압력을 모니터링하고 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 액화 반응기, 고상 생성물 분리기, 촉매 반응기의 온도제어 및 모니터링을 위한 장치이다. 또한, 원료 공급부를 포함한 모든 단위 장치 및 장치 전단, 후단에는 압력계를 설치하여 압력 변화를 모니터링함으로써 분해 시스템 운전에 필요한 정보로 활용할 수 있다.Furthermore, the lignin decomposition system may further include a control unit for monitoring and controlling the temperature and pressure. It is a device for temperature control and monitoring of the liquefaction reactor, the solid product separator, and the catalytic reactor. In addition, all unit devices including the raw material supply unit and a pressure gauge are installed at the front and rear ends of the device to monitor the pressure change, so that it can be utilized as information necessary for the operation of the decomposition system.

또한, 상기 리그닌 분해 시스템은 복수 개의 원료 공급부가 액화 반응부로 병렬 연결되도록 원료 공급부를 구비할 수 있으며, 복수 개의 상기 원료 공급부가 구비됨에 따라 액화 반응기로 교반된 원료를 연속적으로 공급할 수 있다. 예를 들어, 하나의 원료 공급부에서 교반이 충분히 완료되어 균일한 원료가 액화 반응기로 주입될 때, 동시에 다른 하나의 원료 공급부에서는 원료를 교반하여 균일하게 교반된 원료를 준비할 수 있다. 액화 반응기로 교반된 원료를 주입하던 원료 공급부 내 원료가 모두 주입되었을 시점에, 균일하게 교반된 원료를 준비하던 원료 공급부로부터 교반된 원료를 액화 반응기로 주입하여 연속적인 공급을 수행할 수 있다.In addition, the lignin decomposition system may include a raw material supply unit such that a plurality of raw material supply units are connected in parallel to the liquefaction reaction unit, and as the plurality of raw material supply units are provided, the stirred raw material may be continuously supplied to the liquefaction reactor. For example, when stirring is sufficiently completed in one raw material supply unit and a uniform raw material is injected into the liquefaction reactor, the raw material is stirred in the other raw material supply unit at the same time to prepare a uniformly stirred raw material. When all of the raw materials in the raw material supply unit for injecting the stirred raw material into the liquefaction reactor are injected, the stirred raw material from the raw material supply part preparing the uniformly stirred raw material is injected into the liquefaction reactor to perform continuous supply.

본 발명의 다른 측면에서,In another aspect of the invention,

리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 원료 공급부; 및 초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응부;를 포함하는 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템의 운전방법으로,a raw material supply unit for supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent; and a liquefaction reaction unit filled with a supercritical fluid and receiving a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction;

상기 원료 공급부에서 리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 단계(단계 1);supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent from the raw material supply unit (step 1);

상기 액화 반응부를 초임계유체용 용매로 채운 후 반응압력 및 반응온도로 설정하는 단계(단계 2); 및setting the reaction pressure and reaction temperature after filling the liquefaction reaction unit with a solvent for a supercritical fluid (step 2); and

원료 공급부의 압력을 반응부의 반응압력과 동일하게 설정한 후, 반응부로 원료를 공급하여 액화반응을 수행하는 단계(단계 3)를 포함하고,After setting the pressure of the raw material supply unit to be the same as the reaction pressure of the reaction unit, supplying the raw material to the reaction unit to perform a liquefaction reaction (step 3),

상기 용매는 에탄올 및 물이 4:6 내지 8:2의 중량비로 혼합되는 것인 리그닌 분해 시스템의 운전방법이 제공된다.The solvent is provided as a method of operating a lignin decomposition system in which ethanol and water are mixed in a weight ratio of 4:6 to 8:2.

본 발명의 다른 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템의 운전방법은 리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 원료 공급부; 및 초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응부;를 포함하는 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템에 대한 운전방법이다.A method of operating a lignin decomposition system provided in another aspect of the present invention includes: a raw material supply unit for supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent; and a liquefaction reaction unit filled with a supercritical fluid and receiving a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction; is an operating method for a lignin decomposition system using a supercritical fluid comprising a.

리그닌 분해 시스템에 대한 내용은 앞서 설명하였는 바, 중복하여 설명하지 않는다. As the contents of the lignin degradation system have been described above, the description will not be repeated.

이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템의 운전방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation method of the lignin decomposition system provided in another aspect of the present invention will be described in detail for each step.

먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템의 운전방법은 상기 원료공급부에서 리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 단계(단계 1)를 포함한다.First, the operating method of the lignin decomposition system provided in another aspect of the present invention includes supplying a raw material that is a mixture of lignin and a solvent from the raw material supply unit (step 1).

일 실시예에서, 상기 단계 1은 상기 원료 공급부의 원료 수용부에 리그닌(lignin) 및 용매를 공급하는 단계; 상기 원료 수용부로 공급된 리그닌 및 용매를 교반 수단으로 혼합하는 단계; 및 격벽에 압을 가하여 상기 혼합된 리그닌 및 용매 혼합물을 배출부를 통해 액화 반응부로 투입하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step 1 comprises the steps of supplying lignin (lignin) and a solvent to the raw material receiving part of the raw material supply unit; mixing the lignin and the solvent supplied to the raw material receiving unit by a stirring means; and injecting the mixed lignin and solvent mixture into the liquefaction reaction unit through the discharge unit by applying pressure to the partition wall.

상기 원료 공급부의 원료 수용부에 리그닌(lignin) 및 용매를 공급하는 단계는 배출부의 밸브를 완전히 잠근 상태에서 원료 수용부에 원료인 리그닌 및 용매를 독립적으로 또는 혼합된 상태로 공급할 수 있다.In the step of supplying the lignin and the solvent to the raw material receiving part of the raw material supply part, the raw material lignin and the solvent may be independently or mixedly supplied to the raw material receiving part in a state in which the valve of the discharge part is completely closed.

상기 원료 수용부로 공급된 리그닌 및 용매를 교반 수단으로 혼합하는 단계 및 격벽에 압을 가하여 상기 혼합된 리그닌 및 용매 혼합물을 배출부를 통해 액화 반응부로 투입하는 단계는 상기 원료 수용부로 공급된 리그닌 및 용매를 교반 수단으로 혼합하고, 격벽에 압을 가하여 상기 혼합된 리그닌 및 용매 혼합물을 배출부를 통해 액화 반응부로 투입할 수 있다. 원료 수용부 내부에 구비된 교반 수단으로 원료를 교반한 후, 실린더 내 격벽에 유체로 압을 가하여 혼합된 리그닌 및 용매 혼합물을 배출부를 통해 액화 반응부로 투입할 수 있다.The steps of mixing the lignin and solvent supplied to the raw material receiving unit by a stirring means and applying pressure to the partition wall to introduce the mixed lignin and solvent mixture into the liquefaction reaction unit through the discharge unit include the lignin and solvent supplied to the raw material receiving unit. The mixture may be mixed by a stirring means, and pressure may be applied to the partition wall to introduce the mixed lignin and solvent mixture into the liquefaction reaction unit through the discharge unit. After the raw material is stirred by a stirring means provided in the raw material receiving unit, a fluid pressure is applied to the partition wall in the cylinder, and the mixed lignin and solvent mixture may be introduced into the liquefaction reaction unit through the discharge unit.

교반 수단인 교반기를 통한 혼합시간은 상기 원료 공급부의 크기에 따라 달라질 수 있으며 특별히 제한된 것은 아니나 5분 내지 30분 동안 교반될 수 있고, 바람직하게는 7분 내지 20분 동안 교반될 수 있고, 더욱 바람직하게는 8분 내지 15분 동안 교반될 수 있고, 가장 바람직하게는 10분 동안 교반될 수 있다.The mixing time through a stirrer, which is a stirring means, may vary depending on the size of the raw material supply part and is not particularly limited, but may be stirred for 5 to 30 minutes, preferably 7 to 20 minutes, and more preferably Preferably, it may be stirred for 8 to 15 minutes, and most preferably, it may be stirred for 10 minutes.

상기 격벽의 하강이 멈출 때까지 유체를 투입하며, 격벽 상부로 유체를 계속하여 공급하면 리그닌 및 용매 혼합물이 이루는 압력과 유체가 이루는 압력이 같아질 때까지 격벽이 하강하게 되고 압력이 같아지면 격벽의 하강이 멈추게 된다.Fluid is fed until the lowering of the partition wall stops, and if the fluid is continuously supplied to the upper part of the partition wall, the partition wall descends until the pressure between the lignin and solvent mixture and the pressure of the fluid become the same. descent stops.

격벽 상부에서 유체가 가하는 압력과 격벽 하부에 혼합물이 이루는 압력이 같아진 상태에서 즉, 격벽의 하강이 멈춘 상태에서 배출부의 밸브를 열어주고 다시 유체를 연속하여 공급하여 주면 액화 반응기로 공급되는 혼합물의 양은 투입된 유체의 양과 동일하게 된다. 이를 통해 액화 반응기로 공급속도를 조절할 수 있으며, 격벽이 교반 수단이 구비된 위치에 격벽이 통과할 수 없도록 형성된 턱에 도달하면 배출부를 통한 리그닌 및 용매 혼합물의 투입은 정지된다.When the pressure applied by the fluid at the upper part of the bulkhead and the pressure of the mixture at the lower part of the bulkhead are equal, that is, in the state where the drop of the bulkhead stops, the valve of the outlet is opened and the fluid is continuously supplied again to the main surface of the mixture supplied to the liquefaction reactor. The amount is equal to the amount of fluid injected. Through this, it is possible to control the feed rate to the liquefaction reactor, and when the partition reaches a jaw formed at a position where the stirring means is provided so that the partition cannot pass, the input of the lignin and solvent mixture through the discharge part is stopped.

상기 용매는 에탄올 및 물이 4:6 내지 8:2의 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 바람직하게는 4.5:5.5 내지 7.8:2.2, 더 바람직하게는 4.8:5.2 내지 7.3:2.7일 수 있다.The solvent may be a mixture of ethanol and water in a weight ratio of 4:6 to 8:2. Preferably 4.5:5.5 to 7.8:2.2, more preferably 4.8:5.2 to 7.3:2.7.

추후 생성되는 고상의 생성물 입장에서, 상기 에탄올 및 물의 중량비는 6.5:3.5 내지 7:5:2.5가 바람직할 수 있고, 또한 4.5:5.5 내지 5.5:4.5가 바람직할 수 있다. From the standpoint of the solid product to be produced later, the weight ratio of ethanol and water may be preferably 6.5:3.5 to 7:5:2.5, and also preferably 4.5:5.5 to 5.5:4.5.

추후 생성되는 액상의 생성물 입장에서, 상기 에탄올 및 물의 중량비는 5.5:4.5 내지 7:5:3.5가 바람직할 수 있고, 5.5:4.5 내지 6.5:5.5가 바람직할 수 있다.From the standpoint of a liquid product to be produced later, the weight ratio of ethanol and water may be preferably 5.5:4.5 to 7:5:3.5, and preferably 5.5:4.5 to 6.5:5.5.

추후 생성되는 기상의 생성물 입장에서, 상기 에탄올 및 물의 중량비는 4:6 내지 6.5:4.5가 바람직할 수 있고, 4.5:5.5 내지 5.5:4.5가 바람직할 수 있다.From the standpoint of a gaseous product to be produced later, the weight ratio of ethanol and water may be preferably 4:6 to 6.5:4.5, and preferably 4.5:5.5 to 5.5:4.5.

이 중, 액상의 생성물이 최대가 되는 조건이 특히 바람직할 수 있다.Among them, the condition in which the liquid product is maximized may be particularly preferable.

상기 에탄올 및 물의 중량비가 4:6 미만이거나 8:2를 초과하는 경우, 리그닌 잔재물을 액화 반응부에 투입하기 어렵다는 문제점이 있을 수 있다.When the weight ratio of ethanol and water is less than 4:6 or exceeds 8:2, there may be a problem in that it is difficult to introduce the lignin residue into the liquefaction reaction unit.

상기 리그닌 및 용매의 혼합물에서 리그닌은 5 wt% 내지 40 wt% 포함될 수 있으며, 바람직하게는 10 wt% 내지 30 wt%일 수 있다.In the mixture of lignin and solvent, 5 wt% to 40 wt% of lignin may be included, and preferably 10 wt% to 30 wt%.

상기 혼합물에서 리그닌의 함량이 40 wt%를 초과하는 경우 액화 반응부로의 투입이 어려워지며, 액상 생성물의 수율이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.When the content of lignin in the mixture exceeds 40 wt%, it is difficult to input to the liquefaction reaction unit, and there is a problem that the yield of the liquid product may be reduced.

일 실시예에서 상압의 원료 저장부에 원하는 농도의 리그닌과 초임계유체용 용매(에탄올 및 물)를 투입하고 교반 수단으로 혼합하여 혼합물을 제조 및 저장하고 이를 상압 펌프 및 제1 밸브를 이용하여 실린더의 원료 수용부로 투입한다. 이때, 제3 밸브 및 제5 밸브는 완전히 닫힌 상태인 것이 바람직하고, 제4 밸브는 열어 놓는다. 상기 원료 수용부로 원료가 공급되면서 압력이 발생하면 격벽을 위쪽으로 밀어 올리게 된다. 이때, 실린더 상단의 제4 밸브를 통하여 공기가 밖으로 배출될 수 있다. 일정량의 리그닌 및 용매의 혼합 원료를 원료 수용부에 채우면 투입을 중지하고 제1 밸브를 완전히 닫는다. In one embodiment, a mixture of lignin and supercritical fluid solvent (ethanol and water) of a desired concentration is added to the raw material storage unit at normal pressure and mixed by a stirring means to prepare and store the mixture, and then use the atmospheric pump and the first valve to store the mixture in the cylinder. It is fed into the raw material receiving part. At this time, it is preferable that the third valve and the fifth valve are completely closed, and the fourth valve is left open. When the pressure is generated while the raw material is supplied to the raw material receiving part, the partition wall is pushed upward. At this time, air may be discharged to the outside through the fourth valve at the top of the cylinder. When a predetermined amount of the mixed raw material of lignin and solvent is filled in the raw material receiving part, the input is stopped and the first valve is completely closed.

또한, 제4 밸브도 완전히 닫고 제3 밸브를 열어 유체 저장조 내 유체를 고압펌프를 이용하여 유체 수용부로 투입한다. 유체를 계속 투입하면 제1 밸브, 제4 밸브 및 제5 밸브가 닫힌 상태이므로 실린더 내 압력이 올라가게 된다. 실린더 내부 압력은 반응압력보다 1 bar 내지 2 bar 정도 높게 유지할 수 있다. 실린더 내부 압력을 반응압력보다 1 bar 내지 2 bar 정도 높게 유지될 때까지 고압펌프를 이용하여 유체를 유체 수용부로 투입하고 목표 압력에 도달하면 투입을 중단한다.In addition, the fourth valve is also completely closed and the third valve is opened to inject the fluid in the fluid storage tank into the fluid receiving unit using a high-pressure pump. If the fluid is continuously added, the pressure in the cylinder increases because the first valve, the fourth valve, and the fifth valve are closed. The internal pressure of the cylinder may be maintained at about 1 bar to 2 bar higher than the reaction pressure. The fluid is introduced into the fluid receiving part using a high-pressure pump until the internal pressure of the cylinder is maintained 1 bar to 2 bar higher than the reaction pressure, and the input is stopped when the target pressure is reached.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템의 운전방법은 상기 액화 반응부를 초임계유체용 용매로 채운 후 반응압력 및 반응온도로 설정하는 단계(단계 2)를 포함한다.Next, the operating method of the lignin decomposition system provided in another aspect of the present invention includes the step of setting the reaction pressure and reaction temperature to the reaction pressure and reaction temperature after filling the liquefaction reaction unit with a solvent for a supercritical fluid.

상기 단계는 리그닌의 분해반응 전에 반응장치들을 초임계유체 상태로 형성하는 단계로, 반응부인 액화 반응부를 초임계유체용 용매로 채운 후 초임계 조건을 설정한다.The above step is a step of forming the reactors in a supercritical fluid state before the decomposition reaction of lignin, and after filling the liquefaction reaction part, which is the reaction part, with a solvent for the supercritical fluid, supercritical conditions are set.

일 실시예에서, 상기 단계는 원료 공급부의 배출부와 연결된 제5 밸브(119)가 닫힌 상태에서 초임계유체용 용매 저장조 및 고압펌프와 연결된 제2 밸브를 열고 고압펌프를 이용하여 초임계유체용 용매(에탄올 및 물)를 저장조에서 액화 반응기로 투입한다. 촉매 반응기로 투입된 용매는 고상 생성물 분리기, 촉매 반응기, 열교환기, 후압 제어기를 통과하여 기액 분리기로 나온다. 상기 용매가 기액 분리기에 나오는 것이 확인될 때까지 고압펌프를 통하여 계속 투입한다. 용매가 기액 분리기에서 나오면 후압 제어기(back-pressure regulator)를 이용하여 용매가 통과하는 장치들의 압력을 동일하게 반응압력까지 올린다. 압력이 반응압력까지 올라갈 때까지 기액 분리기에서 용매가 배출되지 않다가 반응압력에 도달하면 다시 배출된다. 이때 반응압력은 고압 유지 및 원료 교반을 수행하고 있는 원료 공급부의 압력보다 1 bar 내지 2 bar 낮게 유지한다. 반응압력에서 고압펌프를 이용하여 초임계유체용 용매를 계속 반응장치에 투입하면서 온도를 반응온도까지 승온시킨다. 액화 반응기, 고상 생성물 분리기, 촉매 반응기 등의 온도가 목표온도에 도달하고 안정적으로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.In one embodiment, the step is performed in a state in which the fifth valve 119 connected to the discharge part of the raw material supply part is closed, and the second valve connected to the solvent storage tank for the supercritical fluid and the high pressure pump is opened, and the solvent for the supercritical fluid ( ethanol and water) from the reservoir into the liquefaction reactor. The solvent introduced into the catalytic reactor passes through a solid-phase product separator, a catalytic reactor, a heat exchanger, and a back-pressure controller, and comes out to a gas-liquid separator. The solvent is continuously added through the high-pressure pump until it is confirmed that the solvent comes out of the gas-liquid separator. When the solvent comes out of the gas-liquid separator, the pressure of the devices through which the solvent passes is raised to the reaction pressure by using a back-pressure regulator. The solvent is not discharged from the gas-liquid separator until the pressure rises to the reaction pressure, and is discharged again when the reaction pressure is reached. At this time, the reaction pressure is maintained 1 bar to 2 bar lower than the pressure of the raw material supply part performing high pressure maintenance and raw material stirring. At the reaction pressure, using a high-pressure pump, the solvent for the supercritical fluid is continuously introduced into the reaction apparatus, and the temperature is raised to the reaction temperature. It is desirable to ensure that the temperature of the liquefaction reactor, the solid product separator, the catalytic reactor, etc. reaches the target temperature and is stably maintained.

상기 반응온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다.The reaction temperature may be 300 °C to 500 °C.

추후 생성되는 고생 생성물 측면에서는 바람직하게는 330℃ 내지 500℃일 수 있고, 360℃ 내지 500℃일 수 있다.In terms of the hard product to be produced later, it may be preferably 330 °C to 500 °C, and 360 °C to 500 °C.

추후 생성되는 액상 생성물 측면에서는 바람직하게는 300℃ 내지 380℃일 수 있다.In terms of a liquid product to be produced later, it may preferably be 300°C to 380°C.

추후 생성되는 기상 생성물 측면에서는 바람직하게는 330℃ 내지 500℃일 수 있고, 360℃ 내지 500℃일 수 있다.In terms of a gaseous product to be produced later, it may be preferably 330 °C to 500 °C, and 360 °C to 500 °C.

상기 반응온도가 300℃ 미만일 경우 강산가수분해 리그닌의 분해율이 현저히 떨어져 액상 생성물 수율이 낮아지는 문제점이 있다.When the reaction temperature is less than 300° C., the decomposition rate of strong acid hydrolyzed lignin is significantly lowered, and thus there is a problem in that the yield of the liquid product is lowered.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템 운전방법은 원료 공급부의 압력을 반응부의 반응압력과 동일하게 설정한 후, 반응부로 원료를 공급하여 액화반응을 수행하는 단계(단계 3)를 포함한다.Next, the lignin decomposition system operating method provided in another aspect of the present invention sets the pressure of the raw material supply part to be the same as the reaction pressure of the reaction part, and then supplies the raw material to the reaction part to perform the liquefaction reaction (step 3). include

상기 단계에서 원료의 공급 유속은 8 g/min 내지 15 g/min 일 수 있다. 원료 공급 유속이 높을수록 고상 생성물 함량이 증가할 수 있으며, 액상 생성물은 감소할 수 있고, 기상 생성물은 증가할 수 있다.In the above step, the feed flow rate of the raw material may be 8 g/min to 15 g/min. Higher feedstock flow rates may increase solid product content, decrease liquid product, and increase gaseous product.

원료 공급 유속이 8 g/min 미만인 경우 액상 생성물의 반응기 체류시간이 길어져 중합반응과 같이 원치 않는 2차 반응이 발생할 수 있고, 처리량이 낮아 경제성이 떨어질 수 있다. 반면, 원료 공급 속도가 15 g/min를 초과하는 경우, 원료의 반응기 체류시간이 너무 낮아 액화에 필요한 충분한 시간을 공급할 수 없어 액화 생성물 수율이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.When the feed flow rate of the raw material is less than 8 g/min, the residence time of the liquid product in the reactor is prolonged, and unwanted secondary reactions such as polymerization may occur, and economic efficiency may be deteriorated due to the low throughput. On the other hand, if the feed rate of the raw material exceeds 15 g / min, the reactor residence time of the raw material is too low to supply sufficient time necessary for liquefaction, there may be a problem in that the yield of the liquefied product is lowered.

상기 단계 3에서는 상기 단계 1에서 준비된 혼합 원료를 상기 단계 2에서 준비된 반응부 내로 공급하여 리그닌의 분해반응을 수행한다.In step 3, the mixed raw material prepared in step 1 is supplied into the reaction unit prepared in step 2 to perform a decomposition reaction of lignin.

일 실시예에서, 상기 단계는 제5 밸브를 열고 동시에 고압펌프를 이용하여 용매를 실린더의 유체 수용부에 투입하여 혼합 원료를 액화 반응기로 투입시킬 수 있다. 이때, 거의 동시에 고압펌프를 통한 초임계유체용 용매 투입은 정지하고 제2 밸브를 완전히 닫는다. 이후 고압펌프와 원료 공급부를 이용한 원료의 반응부로의 투입을 계속하면서 리그닌의 초임계유체 연속 액화 반응 운전을 수행한다.In one embodiment, the step may be performed by opening the fifth valve and simultaneously injecting the solvent into the fluid receiving part of the cylinder using a high-pressure pump to introduce the mixed raw material into the liquefaction reactor. At this time, almost simultaneously, the injection of the solvent for the supercritical fluid through the high-pressure pump is stopped and the second valve is completely closed. Thereafter, the supercritical fluid continuous liquefaction operation of lignin is performed while continuing the input of the raw material into the reaction unit using the high-pressure pump and the raw material supply unit.

또한, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 리그닌 분해 시스템 운전방법은 상기 분해 시스템이 촉매 반응부 후단에 위치하여 촉매 반응부에서 형성된 반응 생성물을 냉각시키는 열교환기를 더 포함할 수 있으며, 이를 통하여 반응 생성물을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the lignin decomposition system operating method provided in another aspect of the present invention may further include a heat exchanger in which the decomposition system is located at the rear end of the catalytic reaction unit to cool the reaction product formed in the catalytic reaction unit, through which the reaction product is heated. It may further include the step of cooling.

일 실시예에서 촉매 반응기를 통과한 생성물은 냉각, 감압 과정을 거쳐 기상과 액상으로 분리하고 기상은 가스유속 측정기로 실시간 발생량을 측정한다. 또한 기액 분리기와 가스유속 측정기 사이에 시료 채취구를 두어 가스 시료를 채취하여 조성분석에 활용한다. 액상 생성물은 일정시간 동안 기액 분리기 하단에서 채취하여 발생량, 연료특성 분석 등에 활용한다. 액화 반응 조건 중에서 투입유속은 유체 저장조와 연결된 고압펌프의 유속을 변화하면서 수행하고 리그닌 농도 제어는 초임계유체용 용매 저장조와 연결된 고압펌프의 가동 및 유속 변화를 통하여 수행할 수 있다. 또한, 반응압력은 후압 제어기를 통하여 제어할 수 있고 반응온도는 온도제어기를 통하여 제어가 가능하다.In one embodiment, the product passing through the catalytic reactor is cooled and depressurized, and separated into a gaseous phase and a liquid phase, and the gaseous phase is measured in real time with a gas flow rate meter. In addition, a sampling port is placed between the gas-liquid separator and the gas flow rate meter to collect gas samples and use them for composition analysis. The liquid product is collected from the bottom of the gas-liquid separator for a certain period of time and used for generation and fuel characteristics analysis. In the liquefaction reaction conditions, the input flow rate is performed while changing the flow rate of the high-pressure pump connected to the fluid storage tank, and the lignin concentration control can be performed through the operation and flow rate change of the high-pressure pump connected to the solvent storage tank for supercritical fluid. In addition, the reaction pressure can be controlled through the back pressure controller and the reaction temperature can be controlled through the temperature controller.

본 발명의 다른 일 측면에서 리그닌 분해 시스템을 이용한 리그닌 분해방법이 제공된다.In another aspect of the present invention, there is provided a lignin degradation method using a lignin degradation system.

상기 리그닌 분해방법은 상기 리그닌 분해 시스템 및 리그닌 분해 시스템 운전방법에서 설명하였는 바, 중복하여 설명하지 않는다.The lignin decomposition method has been described in the lignin decomposition system and the lignin decomposition system operation method, and thus the description will not be repeated.

본 발명의 다른 일 측면에서 상기 리그닌 분해방법에 의하여 제조되는 페놀계 화합물이 제공된다.In another aspect of the present invention, there is provided a phenol-based compound prepared by the lignin decomposition method.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에서 상기 리그닌 분해방법에 의하여 제조되는 액상 연료가 제공된다.In another aspect of the present invention, a liquid fuel produced by the lignin decomposition method is provided.

즉, 본 발명에서 제공되는 리그닌 분해 시스템 및 그 운전방법에 의하여 리그닌을 효율적으로 분해할 수 있으며, 이를 통하여 페놀계 화합물, 액상 연료 등을 제조할 수 있다.That is, lignin can be efficiently decomposed by the lignin decomposition system and the operating method provided in the present invention, and phenolic compounds, liquid fuel, and the like can be produced through this.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Experimental Examples. The scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be construed by the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

<실시예><Example>

액화 실험에 사용한 리그닌 시료는 G 사의 바이오부탄올 생산하는 실증공정에서 발생하는 강산가수분해(Concentrated Sulfuric Acid Hydrolysis; CSAH) 리그닌이고 비교실험으로 M 사의 펄핑공정에서 발생하는 흑액(black liquor)으로부터 제조한 Kraft 리그닌이었다.The lignin sample used in the liquefaction experiment is Concentrated Sulfuric Acid Hydrolysis (CSAH) lignin generated in the demonstration process of G company's biobutanol production, and as a comparative experiment, Kraft prepared from black liquor generated in the M company's pulping process. It was lignin.

리그닌 시료는 도 1과 같은 순서로 전처리하였다. 우선 CSAH 리그닌과 Kraft 리그닌은 증류수로 5회에 걸쳐 세척을 하여 무기황 등의 불순물을 최대한 제거한 다음 105℃, 상압에서 건조하였다. 건조한 시료를 볼밀(ballmill)을 이용하여 분쇄한 다음 0.25 mm 이하의 입도만 선별하여 상온에 저장하였다. 리그닌 시료는 액화 실험 전날 105℃, 상압에서 10시간 정도 건조하여 반응물질로 사용하였다. 리그닌 액화반응의 초임계유체로 에탄올(순도: 99.5%)을 사용하였다.The lignin samples were pre-treated in the same order as in FIG. 1 . First, CSAH lignin and Kraft lignin were washed 5 times with distilled water to remove impurities such as inorganic sulfur as much as possible, and then dried at 105°C and atmospheric pressure. After the dried sample was pulverized using a ball mill, only the particle size of 0.25 mm or less was selected and stored at room temperature. The lignin sample was dried at 105° C. and atmospheric pressure for about 10 hours the day before the liquefaction experiment and used as a reactant. Ethanol (purity: 99.5%) was used as the supercritical fluid for the lignin liquefaction reaction.

리그닌 잔재물의 연속 액화 실험에 사용한 실린더(고압 리그닌-에탄올 슬러리 피더)를 장착한 리그닌 분해 시스템(연속 초임계에탄올 액화반응 장치)을 도 2에 나타내었다. 리그닌 분해 시스템은 유체(에탄올 용매) 저장조 및 투입펌프, 실린더(리그닌 잔재물 슬러리 피더), 액화 반응부, 생성물 냉각 및 기-액 분리기, 가스 유량측정기, 제어기, 데이터 기록장치, 냉각수 공급장치 등으로 구성하였다. 액화 반응기는 내경 100 mm, 길이 250 mm, 부피 2,000 mL이다. 반응기 내부 부피의 절반에는 필터장치를 설치하여 리그닌의 액화과정에서 발생하는 고형물이 액상 생성물과 함께 반응기 외부로 토출되는 것을 방지하도록 하였다. 필터의 내경은 80 mm, 길이 130 mm, 부피 650 mL이었다.Fig. 2 shows a lignin decomposition system (continuous supercritical ethanol liquefaction reactor) equipped with a cylinder (high-pressure lignin-ethanol slurry feeder) used for continuous liquefaction experiments of lignin residues. The lignin decomposition system consists of a fluid (ethanol solvent) storage tank and input pump, cylinder (lignin residue slurry feeder), liquefaction reaction unit, product cooling and gas-liquid separator, gas flow meter, controller, data recorder, cooling water supply device, etc. did. The liquefaction reactor has an inner diameter of 100 mm, a length of 250 mm, and a volume of 2,000 mL. A filter device was installed in half of the internal volume of the reactor to prevent the solids generated during the liquefaction of lignin from being discharged to the outside of the reactor along with the liquid product. The filter had an inner diameter of 80 mm, a length of 130 mm, and a volume of 650 mL.

액화 실험 순서는 다음과 같다. 먼저, 원료 공급부의 실린더 하부 챔버에 미리 제조한 리그닌과 에탄올/물 혼합물을 일정량 넣은 다음 피더 하부의 교반기를 운전하여 균질한 슬러리 상태로 유지한다. 격벽을 실린더의 슬러리 표면까지 밀어 넣는다. 격벽 위의 실린더 공간에 에탄올을 주입하고 상부의 헤드와 헤드커버를 장착한다. 실린더와 액화 반응기 사이에 설치한 밸브가 완전히 닫힌 상태에서 물이나 에탄올을 슬러리 피더 피스톤 상부 챔버에 계속 주입하여 목표 반응압력까지 가압한다. 한편 다른 액상 펌프를 이용하여 에탄올을 반응기에 주입하면서 후압제어기(BPR)로 반응압력까지 가압한다. 압력이 목표치에서 안정적으로 유지되면 제어기를 이용하여 전기로를 가열하여 액화 반응기를 목표 반응온도까지 가열한다. 온도와 압력이 목표치에서 안정되면, 실린더의 격벽 상부 공간에 계속 에탄올을 투입하여 격벽을 하부로 이동시킴으로써 리그닌 슬러리를 반응기에 연속 투입한다. 슬러리 상의 반응물질이 반응기에 도달하면 리그닌의 급속한 액화 반응이 진행되고 반응기를 나온 기상 및 액상 생성물은 콘덴서를 통과하면서 상온으로 냉각되고 이어서 후압제어기(BPR)을 통과하면서 상압으로 감압된다. 상온, 상압의 생성물은 기-액분리기에서 기상과 액상으로 분리되고, 기상 생성물은 가스 유량기(wet gas meter)에 유입되어 유속을 측정한다. 10 mL 주사기로 기상 생성물 샘플을 10분 간격으로 채취하여 조성 분석에 사용하였다. 액상 생성물은 기-액 분리기 하부에서 일정시간 동안 채취하여 생성유속, 수율, 그리고 연료특성 분석에 사용하였다. 실험이 종료되면 실린더 내부에 존재하는 리그닌 슬러리를 회수하여 리그닌 양을 측정하였다. 또한 반응기를 해체하여 반응기 필터 내부에 있는 고형 잔재물(solid residue)를 채취하여 발생량을 조사하였다.The liquefaction test sequence is as follows. First, a predetermined amount of a pre-prepared lignin and ethanol/water mixture is put into the cylinder lower chamber of the raw material supply part, and then the agitator under the feeder is operated to maintain a homogeneous slurry state. Push the bulkhead up to the slurry surface of the cylinder. Ethanol is injected into the cylinder space above the bulkhead, and the upper head and head cover are installed. With the valve installed between the cylinder and the liquefaction reactor completely closed, water or ethanol is continuously injected into the upper chamber of the slurry feeder piston to pressurize it to the target reaction pressure. Meanwhile, while injecting ethanol into the reactor using another liquid pump, the reaction pressure is pressurized with a back pressure controller (BPR). When the pressure is stably maintained at the target value, the liquefaction reactor is heated to the target reaction temperature by heating the electric furnace using the controller. When the temperature and pressure are stabilized at the target values, the lignin slurry is continuously introduced into the reactor by continuously adding ethanol to the space above the partition wall of the cylinder and moving the partition wall downward. When the reactants in the slurry reach the reactor, the rapid liquefaction reaction of lignin proceeds, and the gaseous and liquid products exiting the reactor are cooled to room temperature while passing through a condenser, and then are reduced to atmospheric pressure while passing through a back pressure controller (BPR). The product at room temperature and normal pressure is separated into a gas phase and a liquid phase in a gas-liquid separator, and the gaseous product is introduced into a wet gas meter to measure the flow rate. Gas-phase product samples were taken at 10-minute intervals with a 10 mL syringe and used for compositional analysis. The liquid product was collected from the lower part of the gas-liquid separator for a certain period of time and used for product flow rate, yield, and fuel characteristics analysis. When the experiment was completed, the amount of lignin was measured by recovering the lignin slurry present in the cylinder. In addition, by dismantling the reactor, solid residues inside the reactor filter were collected and the amount of generation was investigated.

액상 생성물은 0.2 bar, 80℃에서 감압 증류하여 에탄올과 경량분을 제거한 다음 DCM(dichloromethane)을 사용하여 액-액 추출을 수행하여 수용상을 제거한 다음, 오일상은 0.2 bar, 30℃에서 감압 증류하여 DCM 용매를 제거하여 최종적으로 액상연료를 생산하였다. 도 3에 리그닌 액화반응에서 액상연료 제조 과정의 공정 흐름도를 나타내었다.The liquid product was distilled under reduced pressure at 0.2 bar and 80°C to remove ethanol and light components, then liquid-liquid extraction was performed using DCM (dichloromethane) to remove the aqueous phase, and then the oil phase was distilled under reduced pressure at 0.2 bar and 30°C. The DCM solvent was removed to finally produce a liquid fuel. 3 shows a process flow diagram of the liquid fuel manufacturing process in the lignin liquefaction reaction.

리그닌 원료와 액상연료의 특성은 공업분석(휘발성분, 회분, 고정탄소), 원소분석(C,H,H,S), FT-IR분석(표면 관능기), ICP분석(나트륨 함량), 열중량분석(열분해 특성), 산소분석, 수분함량, 전산가(TAN) 등을 수행하여 확인하였다. 공업분석은 한국에너지기술연구원 플랫폼연구센터에서, 원소분석은 KAIST 분석센터에서, ICP분석은 충남대 공동실습관에서, 열중량분석은 KAIST 분석센터에서 각각 의뢰를 수행하였다. 기상 생성물의 조성분석은 자체 보유한 가스크로마토그라피(GC/TCD-FID)를 이용하여 분석하였다. 액상 생성물의 산소 및 황 함량 분석을 포함한 원소분석은 KAIST 분석센터와 한국석유관리원에 의뢰하여 수행하였고, 전산가 및 수분함량은 자체 장비와 한국석유관리원에 의뢰하여 분석하였다. 액상 연료의 고위발열량(HHV)는 원소분석 데이터를 이용하여 표준법에 의하여 계산하였다.Industrial analysis (volatile content, ash, fixed carbon), elemental analysis (C, H, H, S), FT-IR analysis (surface functional groups), ICP analysis (sodium content), thermogravimetry Analysis (pyrolysis properties), oxygen analysis, moisture content, total acid value (TAN), etc. were performed and confirmed. Industrial analysis was performed at the Platform Research Center of the Korea Institute of Energy Research, elemental analysis at the KAIST Analysis Center, ICP analysis at the Chungnam National University Common Lab, and thermogravimetric analysis at the KAIST Analysis Center. The composition analysis of the gaseous product was analyzed using its own gas chromatography (GC/TCD-FID). Elemental analysis including oxygen and sulfur content analysis of liquid product was commissioned by the KAIST Analysis Center and the Korea National Petroleum Institute. The high calorific value (HHV) of the liquid fuel was calculated by a standard method using elemental analysis data.

<실험예 1> 운전시간 경과에 따른 반응온도 및 반응압력의 변화<Experimental Example 1> Changes in reaction temperature and reaction pressure according to the lapse of operating time

Lab-scale 연속 반응장치를 이용한 리그닌(20 wt%)의 액화실험에서 측정한 운전시간 경과에 따른 반응온도 및 반응압력의 변화를 도 4에 도시하였다. 온도는 반응기 필터 내부, 필터 외부에서 측정하였고, 압력은 반응기와 원료 공급부에서 측정하였다. 온도와 압력은 비교적 잘 제어되었다.Changes in reaction temperature and reaction pressure according to the lapse of operating time measured in a liquefaction experiment of lignin (20 wt%) using a lab-scale continuous reactor are shown in FIG. 4 . The temperature was measured inside the reactor filter and outside the filter, and the pressure was measured at the reactor and the raw material supply part. Temperature and pressure were relatively well controlled.

<실험예 2> 용매 영향 평가<Experimental Example 2> Evaluation of solvent effect

바이오알코올 제조과정의 부산물인 CSAH 리그닌을 에탄올 용매와 혼합하여 원료 공급부를 이용하여 반응기에 투입한 결과, 실린더의 하단과 실린더와 반응기 사이의 밸브에 리그닌이 추출되어 막힘현상이 발생하여 반응기에 투입할 수 없었다.CSAH lignin, a by-product of the bioalcohol manufacturing process, was mixed with an ethanol solvent and put into the reactor using the raw material supply. couldn't

이에 따라 CSAH 리그닌의 물성 개선 연구와 더불어, 용매로 에탄올에 물을 혼합한 영향을 조사하였다. 우선 용매 혼합율에 따른 CSAH 리그닌의 용해도를 상온에서 조사한 결과, 도 5에서와 같이 물 함량이 30∼50 wt%에서 비교적 혼합성이 높아지는 경향을 보였다.Accordingly, along with the improvement of the physical properties of CSAH lignin, the effect of mixing water with ethanol as a solvent was investigated. First, as a result of examining the solubility of CSAH lignin according to the solvent mixing ratio at room temperature, as shown in FIG. 5 , the miscibility tends to be relatively high when the water content is 30-50 wt%.

실제로 Lab-scale 반응장치에서 리그닌 슬러리를 투입한 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이 용매가 100% 에탄올인 경우와 에탄올:물 혼합비가 80:20까지는 리그닌 슬러리 투입이 불가능하였으나, 에탄올:물 혼합비가 70:30 이상에서는 리그닌 투입이 가능하였다.In fact, as a result of adding the lignin slurry in the lab-scale reactor, as shown in Table 1, when the solvent was 100% ethanol and the ethanol:water mixing ratio was 80:20, the lignin slurry could not be added, but the ethanol:water mixing ratio was 70. Lignin input was possible at :30 or higher.

에탄올에 혼합한 물의 양을 달리하면서 CSAH 리그닌을 350℃, 300 bar, 무촉매 조건에서 연속 액화 실험한 결과, 100% 에탄올에 Kraft 리그닌을 액화한 경우에 비하여 고상 생성물이 크게 증가하였다. 이러한 결과가 상당 부분 CSAH 리그닌이 Kraft 리그닌에 비하여 해중합되기 어려운 분자 구조적 특성에 기인하는 것으로 분석된다.As a result of a continuous liquefaction experiment of CSAH lignin at 350° C., 300 bar, and non-catalyst conditions while varying the amount of water mixed with ethanol, the solid product increased significantly compared to the case of liquefying Kraft lignin in 100% ethanol. It is analyzed that these results are largely due to the molecular structural characteristics of CSAH lignin, which is difficult to depolymerize compared to Kraft lignin.

액화물을 분리과정을 통하여 얻은 액상연료의 수율은 28∼39 wt% 범위를 보였다. 이는 액화물 수율 추정치 55∼70 wt%에 비하여 낮은데 감압증발 과정과 액-액 추출 과정에서 유기물질이 제거되었기 때문이다. 액상연료의 전산가(TAN)는 0.9∼2.3 mg/g으로 목표치 30보다 매우 낮게 나타났고, 수분함량은 0.5∼1.5 wt% 범위로 목표치 0.3보다 다소 높았다. 수분함량이 높은 것은 용매에 물을 첨가한 영향이 크다.The yield of the liquid fuel obtained through the separation process of the liquid material was in the range of 28 to 39 wt%. This is lower than the estimated liquefied yield of 55 to 70 wt%, because organic substances were removed during the vacuum evaporation process and the liquid-liquid extraction process. The total acid value (TAN) of the liquid fuel was 0.9-2.3 mg/g, which was much lower than the target value of 30, and the moisture content was slightly higher than the target value of 0.3 in the range of 0.5-1.5 wt%. The high water content is greatly influenced by the addition of water to the solvent.

용매조성
(EtOH:H2O)
(wt%)
Solvent composition
(EtOH:H2O)
(wt%)
반응물질
투입유속
(g/min)
reactant
input flow rate
(g/min)
총 액상 생성유속
(g/min)
Total liquid product flow rate
(g/min)
생성물 수율product yield 액상연료liquid fuel
액상liquid 기상weather 고상elegance 수율(%)transference number(%) TAN
(mg/g)
TAN
(mg/g)
수분함량
(wt%)
moisture content
(wt%)
80:2080:20 13.813.8 투입불가Impossible to put in -- -- -- -- -- -- 70:3070:30 13.613.6 12.412.4 62.762.7 7.37.3 3030 3838 0.960.96 0.540.54 60:4060:40 13.713.7 11.911.9 80.480.4 4.64.6 1515 3939 1.841.84 1.241.24 50:5050:50 13.713.7 12.612.6 68.468.4 1.61.6 3030 2828 2.292.29 1.371.37

*생성물 수율: (생성물 무게)/ 투입된 리그닌 총무게 x 100*Product yield: (product weight)/ total lignin weight x 100

용매영향 실험에서 얻은 액상 생성물을 도 3의 필터링-증발-DCM추출-증발의 일련의 분리과정을 통하여 제조한 액상연료의 원소분석 결과와 이에 기반하여 계산한 발열량 수치를 표 2에 나타내었다.Table 2 shows the results of elemental analysis of the liquid fuel obtained through a series of separation processes of filtering-evaporation-DCM extraction-evaporation of the liquid product obtained in the solvent effect experiment and the calorific value calculated based thereon.

용매조성
(EtOH:H2O)
(wt%)
Solvent composition
(EtOH:H2O)
(wt%)
원소조성 (wt%)Elemental composition (wt%) HHVa
(MJ/kg)
HHV a
(MJ/kg)
CC HH NN SS OO CSAH 리그닌CSAH lignin 58.4358.43 5.675.67 0.170.17 0.330.33 35.4035.40 25.025.0 70:3070:30 66.3466.34 7.357.35 0.110.11 0.190.19 26.0126.01 29.229.2 60:4060:40 67.5767.57 7.447.44 0.120.12 0.070.07 24.8024.80 29.829.8 50:5050:50 63.2163.21 6.866.86 0.120.12 0.080.08 29.7329.73 27.127.1

aHHV: 원소조성치를 이용하여 DIN51900 표준법으로 계산함{HHV = (34xC+1243xH+63xN+193xS-98xO)/100) a HHV: Calculated by DIN51900 standard method using elemental composition {HHV = (34xC+1243xH+63xN+193xS-98xO)/100)

표 1의 에탄올:물 비율이 70:30의 실험에서 얻은 액상연료에 포함된 주요 성분을 조사하기 위하여 GC-MS 분석을 수행한 결과 도 6과 같은 크로마토그램을 얻었다.As a result of performing GC-MS analysis to investigate major components included in the liquid fuel obtained in the experiment in which the ethanol:water ratio of Table 1 was 70:30, a chromatogram as shown in FIG. 6 was obtained.

검출된 유기화합물을 종류별로 그룹화한 결과, 페놀류가 55 area%이었고 퓨란 등 당의 분해물질이 29 area%, 기타 16 area%를 보였다. 당의 분해물질은 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 분해로부터 생성되므로 이들이 실험에 사용한 CSAH 리그닌에 상당량 포함되어 있었다고 말할 수 있다.As a result of grouping the detected organic compounds by type, phenols accounted for 55 area%, sugar decomposition substances such as furans accounted for 29 area%, and other 16 area%. Since sugar decomposition substances are produced from the degradation of cellulose and hemicellulose, it can be said that they were contained in a significant amount in the CSAH lignin used in the experiment.

생성가스의 조성을 분석한 결과, 도 7과 같이 용매에서 물의 비율이 증가할수록 이산화탄소 농도는 감소하고 메탄, 에탄 등 경질의 탄화수소 생성량은 증가하는 경향을 보였다. 수소는 매우 낮은 양이 검출되었다. 이러한 결과로부터 수소 생성이 낮거나 생성된 수소가 탈산소 반응에 이용된 것으로 판단된다.As a result of analyzing the composition of the generated gas, as the ratio of water in the solvent increased, as shown in FIG. 7 , the carbon dioxide concentration decreased and the amount of light hydrocarbons such as methane and ethane increased. Hydrogen was detected in very low amounts. From these results, it is determined that the hydrogen production is low or the generated hydrogen is used for the deoxidation reaction.

<실험예 3> 온도 영향 평가<Experimental Example 3> Temperature effect evaluation

연속 반응기에서 리그닌의 액화에 의한 생성물 수율에 미치는 반응온도 영향을 조사하여 표 3에 나타내었다. 반응온도가 높을수록 고형 잔재물 수율이 증가함을 알 수 있다.Table 3 shows the effect of reaction temperature on product yield by liquefaction of lignin in a continuous reactor. It can be seen that the higher the reaction temperature, the higher the yield of the solid residue.

반응온도
(℃)
reaction temperature
(℃)
반응물질
투입유속
(g/min)
reactant
input flow rate
(g/min)
총 액상
생성유속
(g/min)
total liquid
flow rate
(g/min)
생성물 수율 (wt%)
Product yield (wt%)
액상연료
liquid fuel
액상liquid 기상weather 고상elegance 수율
(%)
transference number
(%)
TAN
(mg/g)
TAN
(mg/g)
수분함량
(wt%)
moisture content
(wt%)
300300 13.813.8 12.712.7 74.274.2 0.80.8 2525 2525 1.061.06 0.970.97 350350 12.612.6 12.412.4 62.762.7 7.37.3 3030 3030 0.960.96 0.540.54 400400 13.713.7 9.69.6 54.954.9 13.113.1 3232 3232 1.881.88 0.680.68

*반응조건: CSAH 리그닌 20wt%, 에탄올:물 비= 70:30, 액화압력 300bar, 무촉매*Reaction conditions: CSAH lignin 20wt%, ethanol:water ratio = 70:30, liquefaction pressure 300bar, no catalyst

반응온도 300℃에서 액화한 액상물질을 분리과정을 통하여 얻은 액상연료의 GC-MS 분석결과를 도 8에 도시하였다. 페놀류가 56 area% 이었고 퓨란 등 당의 분해물질이 23 area%, 기타 21 area%로 나타났다.The GC-MS analysis result of the liquid fuel obtained through the separation process of the liquid material liquefied at the reaction temperature of 300° C. is shown in FIG. 8 . Phenols accounted for 56 area%, and sugar decomposed substances such as furan were 23 area% and other 21 area%.

생성가스의 조성을 분석한 결과, 도 8과 같이 반응온도 350℃ 이상에서 이산화탄소 함량은 낮게 나타났고 경질 탄화수소 함량은 반응온도 증가에 비례하여 증가하는 경향을 보였다.As a result of analyzing the composition of the product gas, as shown in FIG. 8 , the carbon dioxide content was low at a reaction temperature of 350° C. or higher, and the light hydrocarbon content showed a tendency to increase in proportion to an increase in the reaction temperature.

<실험예 4> 리그닌 농도 영향<Experimental Example 4> Effect of lignin concentration

연속 반응기에서 리그닌의 액화에 의한 생성물 수율에 미치는 CSAH 리그닌 농도 영향을 조사하여 표 4에 나타내었다. 용매의 에탄올:물 무게비율이 70:30에서 리그닌 함량 30 wt%까지 슬러리 피더를 이용하여 반응기에 투입하기에 무리가 없었다.Table 4 shows the effect of CSAH lignin concentration on product yield by liquefaction of lignin in a continuous reactor. The ethanol:water weight ratio of the solvent was 70:30 and the lignin content was 30 wt%, so there was no difficulty in putting it into the reactor using the slurry feeder.

리그닌
농도
(wt%)
lignin
density
(wt%)
반응물질
투입유속
(g/min)
reactant
input flow rate
(g/min)
총 액상
생성유속
(g/min)
total liquid
flow rate
(g/min)
생성물 수율 (wt%)Product yield (wt%) 액상연료
liquid fuel
액상liquid 기상weather 고상elegance 수율
(%)
transference number
(%)
TAN
(mg/g)
TAN
(mg/g)
수분함량
(wt%)
moisture content
(wt%)
1010 14.114.1 12.912.9 85.585.5 NANA 1414 3535 1.241.24 0.760.76 1515 13.913.9 12.612.6 78.578.5 NANA 2121 3737 1.761.76 0.850.85 2020 13.613.6 12.412.4 62.762.7 7.37.3 3030 3838 0.960.96 0.540.54 2525 13.713.7 12.212.2 76.276.2 6.86.8 1717 2626 3.873.87 0.890.89 3030 13.613.6 12.112.1 69.069.0 9.09.0 2222 2020 3.183.18 1.101.10

리그닌 함량이 20 wt%에서 고형 잔재물 수율이 30 wt%로 가장 높았고 리그닌 함량이 30 wt%에서 22 wt%를 보였다.At 20 wt% of lignin content, the yield of solid residue was highest at 30 wt%, and lignin content of 30 wt% was 22 wt%.

리그닌 농도 실험에서 얻은 액상 생성물을 도 3의 필터링-증발-DCM추출-증발의 일련의 분리과정을 통하여 제조한 액상연료의 원소분석 결과와 이를 이용하여 계산한 발열량 수치를 표 5에 나타내었다. 리그닌 농도가 액상연료의 원소조성 및 발열량에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.Table 5 shows the results of elemental analysis of the liquid fuel obtained from the lignin concentration experiment through a series of separation processes of filtering-evaporation-DCM extraction-evaporation of FIG. 3 and the calorific value calculated using it. The effect of lignin concentration on elemental composition and calorific value of liquid fuel was found to be insignificant.

리그닌 농도
(wt%)
lignin concentration
(wt%)
원소조성 (wt%)
Elemental composition (wt%)
HHVa (MJ/kg)HHV a (MJ/kg)
CC HH NN SS OO CSAH 리그닌CSAH lignin 58.4358.43 5.675.67 0.170.17 0.330.33 35.4035.40 25.025.0 2020 66.3466.34 7.357.35 0.110.11 0.190.19 26.0126.01 29.229.2 2525 66.8566.85 7.147.14 0.110.11 0.060.06 25.8425.84 29.429.4 3030 66.8066.80 7.277.27 0.130.13 0.160.16 25.6425.64 29.329.3

또한, 표 4의 실험에서 얻은 액상연료의 GC-MS 분석결과를 도 9와 표 6에 도시하였다. 일반적으로 리그닌 농도가 높을수록 액상연료의 페놀계 함량은 증가하고 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스 분해 물질 함량은 감소하는 경향을 보였다.In addition, the GC-MS analysis results of the liquid fuel obtained in the experiment of Table 4 are shown in FIGS. 9 and 6 . In general, as the lignin concentration increased, the phenolic content of the liquid fuel increased and the cellulose or hemicellulose-decomposed substance content tended to decrease.

리그닌 농도
(wt%)
lignin concentration
(wt%)
유기물 조성 (area%)Organic composition (area%)
페놀계phenolic 비리그닌계 분해물Non-lignin-based degradation products 기타etc 1010 4444 2929 2727 1515 5050 3030 2020 2525 5252 3131 1717 3030 6161 2727 1212

<실험예 5> 투입유속 영향<Experimental Example 5> Effect of input flow rate

연속 반응기에서 리그닌의 액화에 의한 생성물 수율에 미치는 반응물질 투입유속 영향을 표 7에 나타내었다. 반응물질 투입유속이 높을수록 고형 생성물 함량이 증가하고 액화율은 감소하는 경향을, 가스화율은 증가하는 경향을 보였다.Table 7 shows the effect of the reactant input flow rate on the product yield by liquefaction of lignin in a continuous reactor. As the reactant input flow rate was higher, the solid product content increased, the liquefaction rate decreased, and the gasification rate showed a tendency to increase.

반응물질투입유속 (g/min)Reactant input flow rate (g/min) 총 액상 생성유속 (g/min)Total liquid product flow rate (g/min) 생성물 수율 (wt%)Product yield (wt%) 액상연료liquid fuel 액상liquid 기상weather 고상elegance 수율
(%)
transference number
(%)
TAN
(mg/g)
TAN
(mg/g)
수분함량
(wt%)
moisture content
(wt%)
10.710.7 10.710.7 70.770.7 7.37.3 2222 2323 2.142.14 0.780.78 13.613.6 12.412.4 56.956.9 13.113.1 3030 3838 0.930.93 0.540.54

표 7의 실험 중 반응물질 투입속도 107 g/min에서 얻은 액상연료에 대한 GC-MS 분석결과를 도 10에 도시하였다. 페놀계가 52, 비리그닌분해물질이 28 area%로 나타났다.10 shows the results of GC-MS analysis of the liquid fuel obtained at a reactant input rate of 107 g/min during the experiment of Table 7 in FIG. The phenolic content was 52 and the non-lignin-decomposing material was 28 area%.

원료 공급부 : 200 실린더 : 110
원료 수용부 : 111 격벽 : 112
유체 수용부 : 113 고압용 커버 : 114
유체 주입용 관로 : 115 공기 배출용 관로 : 116
교반 수단 : 120 배출부 : 130
원료 저장부 : 140 상압 펌프 : 141
제1 밸브 : 142 유체 저장조 : 150
액화 반응부 : 300 액화 반응기 : 310
고상 생성물 분리기 : 320 배출 밸브 : 322
필터 : 330 밸브 : 340
원료 투입용 튜브 : 350 촉매 반응부 : 400
촉매 반응기 : 410 초임계 유체용 용매 저장조 : 500
열교환기 : 600 후압 제어기 : 700
기액 분리기 : 800
Raw material supply: 200 Cylinder: 110
Raw material receiving part: 111 Bulkhead: 112
Fluid receiving part: 113 High pressure cover: 114
Fluid injection pipe: 115 Air exhaust pipe: 116
Stirring means: 120 Discharge part: 130
Raw material storage: 140 Normal pressure pump: 141
1st valve: 142 Fluid reservoir: 150
Liquefaction reaction unit: 300 Liquefaction reactor: 310
Solid Product Separator: 320 Discharge Valve: 322
Filter: 330 Valve: 340
Tube for raw material input: 350 Catalyst reaction unit: 400
Catalytic reactor: 410 Solvent storage tank for supercritical fluid: 500
Heat exchanger: 600 Back pressure controller: 700
Gas-liquid separator: 800

Claims (13)

강산가수분해 리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 원료 공급부; 및
초임계 상태의 유체로 채워지고, 상기 원료 공급부로부터 배출되는 교반된 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응부;를 포함하는 초임계유체를 이용한 리그닌 분해 시스템으로,
상기 액화 반응부는
상기 원료 공급부로부터 배출되는 원료를 공급받아 액화 반응을 수행하는 액화 반응기;
상기 액화 반응기에서 발생하는 고상 생성물을 분리하는 고상 생성물 분리기;
상기 액화 반응기와 고상 생성물 분리기 사이에 위치하는 필터;
상기 원료 공급부 하단으로부터 액화 반응기 내부로 통과하여 상기 고상 생성물 분리기 상단까지 설치되는 원료 투입용 튜브; 및
상기 액화 반응기 외부에 설치된 가열기;
를 포함하고,
상기 용매는 에탄올 및 물로 이루어져 있으며, 상기 용매에서의 물의 함량이 30 wt% 내지 50 wt%인 리그닌 분해 시스템.
a raw material supply unit for supplying a raw material that is a mixture of strong acid hydrolyzed lignin and a solvent; and
A lignin decomposition system using a supercritical fluid comprising a; a liquefaction reaction unit filled with a fluid in a supercritical state and receiving a stirred raw material discharged from the raw material supply unit to perform a liquefaction reaction,
The liquefaction reaction unit
a liquefaction reactor receiving the raw material discharged from the raw material supply unit and performing a liquefaction reaction;
a solid product separator for separating a solid product generated in the liquefaction reactor;
a filter positioned between the liquefaction reactor and the solid product separator;
a tube for inputting the raw material passing from the lower end of the raw material supply unit into the liquefaction reactor and installed to the upper end of the solid product separator; and
a heater installed outside the liquefaction reactor;
including,
The solvent consists of ethanol and water, and the content of water in the solvent is 30 wt% to 50 wt%.
제1항에 있어서,
상기 원료 공급부는
리그닌 및 용매의 혼합물을 원료로 공급받아 수용하는 원료 수용부;
원료 수용부와 유체 수용부를 구분하면서 움직일 수 있는 격벽;
상기 격벽에 압을 가할 수 있는 유체를 수용할 수 있는 유체 수용부를 포함하는 실린더;
상기 원료 수용부 내에 구비되어 원료를 교반시켜 주는 교반 수단; 및
상기 원료 수용부 일부분에 배치되어 상기 교반 수단에 의해 교반된 원료를 배출하는 배출부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 시스템.
According to claim 1,
The raw material supplier
a raw material receiving unit for receiving and receiving a mixture of lignin and a solvent as a raw material;
a partition wall that can move while separating the raw material receiving unit and the fluid receiving unit;
a cylinder including a fluid accommodating part capable of accommodating a fluid capable of applying pressure to the partition wall;
agitating means provided in the raw material accommodating part to stir the raw materials; and
a discharge unit disposed in a portion of the raw material receiving unit and discharging the raw material stirred by the stirring means;
Lignin degradation system comprising a.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 리그닌 및 용매의 혼합물은 5 wt% 내지 40 wt%의 리그닌을 포함하는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 시스템.
According to claim 1,
The lignin degradation system, characterized in that the mixture of lignin and solvent comprises 5 wt% to 40 wt% of lignin.
제1항의 리그닌 분해 시스템의 운전방법으로,
상기 원료 공급부에서 강산가수분해 리그닌 및 용매의 혼합물인 원료를 공급하는 단계(단계 1);
상기 액화 반응부를 초임계유체용 용매로 채운 후 반응압력 및 반응온도로 설정하는 단계(단계 2); 및
원료 공급부의 압력을 반응부의 반응압력과 동일하게 설정한 후, 반응부로 원료를 공급하여 액화반응을 수행하는 단계(단계 3)를 포함하고,
상기 용매는 에탄올 및 물로 이루어져 있으며, 상기 용매에서의 물의 함량이 30 wt% 내지 50 wt%인 리그닌 분해 시스템의 운전방법.
As a method of operating the lignin decomposition system of claim 1,
supplying a raw material that is a mixture of strong acid hydrolyzed lignin and a solvent from the raw material supply unit (step 1);
setting the reaction pressure and reaction temperature after filling the liquefaction reaction unit with a solvent for a supercritical fluid (step 2); and
After setting the pressure of the raw material supply unit to be the same as the reaction pressure of the reaction unit, supplying the raw material to the reaction unit to perform a liquefaction reaction (step 3),
The solvent consists of ethanol and water, and the content of water in the solvent is 30 wt% to 50 wt% of a method of operating a lignin decomposition system.
제7항에 있어서,
상기 리그닌 및 용매의 혼합물은 5 wt% 내지 40 wt%의 리그닌을 포함하는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 시스템의 운전방법.
8. The method of claim 7,
The method of operating a lignin decomposition system, characterized in that the mixture of the lignin and the solvent comprises 5 wt% to 40 wt% of lignin.
제7항에 있어서,
상기 반응 온도는 300℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 시스템의 운전방법.
8. The method of claim 7,
The reaction temperature is a method of operating a lignin decomposition system, characterized in that 300 ℃ to 500 ℃.
제7항에 있어서,
상기 반응부로 원료를 공급하는 단계의 원료 공급 유속은 8 g/min 내지 15 g/min인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 시스템의 운전방법.
8. The method of claim 7,
The operating method of the lignin decomposition system, characterized in that the raw material supply flow rate in the step of supplying the raw material to the reaction unit is 8 g / min to 15 g / min.
◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 11 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제1항의 리그닌 분해 시스템에 의하여 수행되는 리그닌 분해방법.
A lignin degradation method performed by the lignin degradation system of claim 1.
제9항의 리그닌 분해방법에 의하여 제조되는 페놀계 화합물.
A phenolic compound prepared by the lignin decomposition method of claim 9.
◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 13 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제9항의 리그닌 분해방법에 의하여 제조되는 액상 연료.
A liquid fuel produced by the lignin decomposition method of claim 9.
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