KR200360982Y1

KR200360982Y1 - 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치

Info

Publication number: KR200360982Y1
Application number: KR20-2004-0016105U
Authority: KR
Inventors: 김제훈
Original assignee: 무등바이오에너지 주식회사
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2004-09-07

Abstract

본 고안은 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에스테르화 반응을 수행하기 위해 메탄올과 촉매, 식물성유지 등의 원료가 이송과정 중에 일정비율로 자동 혼합되어 반응기에 공급될 수 있어 바이오디젤 제조장치의 자동화시스템을 구축할 수 있고, 공정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치에 관한 것이다.

본 고안의 목적은 바이오디젤의 생산하기 위한 전처리과정으로서 에스테르화 반응을 수행되는 반응기에 원료(메탄올, 촉매, 식물성유지)를 자동적으로 균일하게 혼합하여 공급함으로써, 바이오디젤의 제조공정을 간소화시킬 수 있고 불필요한 인력낭비를 줄일 수 있는 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치를 제공함에 있다.

본 고안의 또 다른 목적은, 유량제어수단의 비교제어유량계의 유량값을 각각 설정함으로써 원료의 혼합비율을 용이하게 조정할 수 있고, 원료들이 저장된 저장탱크에 원료이 잔량을 감지하여 작업자에게 원료의 충전시기를 경고음으로 알려줄 수 있는 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 구성은, 촉매와 메탄올이 일정비율로 혼합 저장된 메탄올저장탱크와, 식물성 유지가 저장된 유지저장탱크와, 상기 유지저장탱크로부터 필터를 경유하여 공급되는 상기 식물성 유지를 일정온도로 가열하는 열교환장치와, 상기 열교환장치를 경유하며 가열된 식물성유지와 촉매가 혼합된 상기 메탄올을 에스테르화 반응을 시키기 위하여 각각 반응기에 공급하는 바이오디젤 제조용 원료 공급장치에 있어서, 상기 촉매를 별도로 저장하며 상기 메탄올저장탱크와 이송관으로 연결되어 메탄올이 공급되는 촉매저장탱크와; 상기 촉매저장탱크로부터 촉매가 용해된 메탄올과, 상기 메탄올저장탱크로부터 이송되는 메탄올을 와류를 형성하며 균일하게 혼합해주는 제1라인믹스와; 상기 제1라인믹스를 경유한 촉매가 용해된 메탄올과 상기 열교환기를 경유한 식물성 유지를 와류를 형성하면서 재차 균일하게 혼합하여 상기 반응기에 이송하는 제2라인믹스와; 상기 메탄올, 촉매, 식물성 유지가 이송되는 이송관에 설치된 복수개의 펌프로 구성되되, 상기 촉매, 상기 메탄올, 상기 식물성유지의 혼합비율을 조절할 수 있도록 상기 펌프의 유량을 제어하는 유량제어수단이 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치{The material automatic mixing supplier for manufecturing biodiesel}

현재 우리가 사용하고 있는 에너지원은 대부분 석유, 석탄 등과 같은 화석원료이므로 에너지 수급, 환경오염 등 많은 문제를 노출하고 있다.

따라서, 이를 해결하기 위한 다양한 형태의 대체 에너지원 개발 노력이 활발하게 이루어지고 있으며, 그 중에 하나가 생물체가 만들어내는 유기물인 바이오매스(Biomass)로부터 생산되는 지속가능한 원료인 바이오원료(Biofuel)가 있다.

바이오원료의 종류로는 바이오에탄올(Bioethanol), 메탄올(Methanol), 바이오디젤(Biodiesel), 메탄가스 등이 있으며, 이중 동물 또는 식물의 지방 또는 재생유지로부터 만들어지는 바이오디젤이 운송수단의 원료, 즉 디젤 엔진의 원료로 가장 널리 사용되고 있다.

상기 바이오디젤의 원료유를 제조하는 선행기술로서는 대한민국 공개특허공보 제1989-0002403호 및 공개특허공보 제1990-0003894호, 공개특허공보 제1999-024529호 등에 공개되어 있다.

또한, 폐식용유를 이용한 바이오디젤의 생산에 관해서는 폐식용유의 원료화에 관한 연구자료가 발표된 바 있으나 실제적으로 제조기술은 확립되지 않은 실정이다.

한편, 상기 바이오디젤을 제조하기 위한 종래의 바이이디젤 제조장치의 일실시예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 바이오디젤 제조장치는 에스테르화 반응기(110)의 외부에는 온도센서(101), 가열장치(103), 냉각기(105), 온도조절장치(104)가 구비되어 있고, 반응기(110)의 내부에는 모터(108)축에 교반기(102)가 수직방향으로 장착되어 있다.

반응물인 식용유를 상기 반응기(110)의 시료주입구(109)로 투입하고 별도의 혼합장치를 통해 촉매가 용해된 메탄올도 상기 반응기(110)의 내부로 투입한 후, 가열교반하면서 에스테르화 반응을 시키며, 상기 반응기(110)의 외벽에 설치된 냉각기(105)의 물주입구(106)와 출구(107)를 통해 냉각한다.

상기 반응기(110)에서 에스테르화 반응이 종료되면 저장탱크(112)로 이송하여 증류탑(113)에서 메탄올을 증류시켜 콘덴서(114)에서 응축하여 저장조(115)로 이송하고, 증류탑(113) 하부로부터 글리세린과 메틸에스테르 회수하여 저장조(116)에서 글리세린을 분리한 후, 이송장치(117)와 저장조(118)를 거쳐 제2증류탑(119)에서 증류시켜 분리기(120)를 거쳐 메틸에스테르는 저장조(121)에 회수하고 개스는 배출기(122)를 통해 외부로 배출하여 바이오디젤을 생산하는 것이다.

그러나, 상기 반응기(110)에 원료(메탄올, 촉매, 식용유)를 투입하기 위해서는 일정량의 식용유를 상기 반응기(110)에 투입하고, 촉매를 메탄올에 용해시키기 위하여 별도의 혼합기에서 촉매와 메탄올을 혼합한 후, 식용유와 일정비율로 혼합될 수 있도록 상기 반응기(110)를 투입해야만 비로소 에스테르화 반응이 수행될 수 있으므로, 바이오디젤을 생산하기 위해서는 일정 시간간격으로 촉매를 메탄올에 용해시키는 작업이 별도로 선행되어야 하며, 촉매가 용해된 메탄올과 식용유를 일정비율로 혼합하여 상기 반응기(110)에 투입할 수 밖에 없어 작업시간과 인력이 많이 소요될 뿐만 아니라, 제조공정이 매우 복잡한 문제점이 있었다.

또한, 상기 반응기(110)에 투입되는 상기 원료가 균일하게 혼합되어야 에스테르화반응이 잘 수행될 수 있으나, 이를 수행하기 위해서는 별도의 혼합장치를 설치할 수 밖에 없으므로 바이오디젤 제조장치의 제작비용이 많이 소요되었으며, 특히 에스테르화과정을 수행하기 위하여 상기 반응기(110)에 원료를 공급하는 작업이 부분적으로 수동으로 이루어져 바이오디젤을 대량생산할 수 없는 단점이 있었다.

본 고안은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 고안의 목적은 바이오디젤의 생산하기 위한 전처리과정으로서 에스테르화 반응을 수행되는 반응기에 원료(메탄올, 촉매, 식물성유지)를 자동적으로 균일하게 혼합하여 공급함으로써, 바이오디젤의 제조공정을 간소화시킬 수 있고 불필요한 인력낭비를 줄일 수 있는 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 고안에 따른 바이오디젤 제조장치를 도시한 개략도,

도 2는 본 고안에 따른 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치를 도시한 개략도,

도 3은 본 고안에 따른 유량제어수단을 도시한 개략도,

도 4는 본 고안에 따른 제어블럭도,

도 5는 종래의 바이오디젤 제조장치의 반응기를 도시한 단면도,

도 6은 종래의 바이오디젤 제조장치를 도시한 개략도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 메탄올저장탱크 20 : 촉매저장탱크

30 : 제1라인믹스 40 : 유지저장탱크

42 : 열교환기 43,70 : 히터

50 : 제2라인믹스 60 : 반응기

61 : 모터 62 : 교반기

80 : 비례제어유량계 82 : 컨트롤러

83 : 펌프구동부 84 : 밸브구동부

85 : 유압제어밸브 86 : 수위감지센서

87 : 경고음발생부 88 : 경고부저

90,93 : 분리기 91 : 라인믹스

92 : 중화제 95 : 응축기

이하, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 본 고안을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 바이오디젤 제조장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 고안에 따른 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치를 도시한 개략도, 도 3은 본 고안에 따른 유량제어수단을 도시한 개략도, 도 4는 본 고안에 따른 제어블럭도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이 본 고안의 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치는, 메탄올이 저장된 메탄올저장탱크(10)와, 상기 메탄올저장탱크(10)와 이송관으로 연결되어 메탄올이 일정량씩 이송되며 촉매가 저장된 촉매저장탱크(20)와, 상기 촉매저장탱크(20)로부터 촉매가 용해된 메탄올과 상기 메탄올저장탱크(10)로부터 이송되는 메탄올을 와류를 형성하며 균일하게 혼합해주는 제1라인믹스(30)와, 상기 제1라인믹스(30)를 경유한 촉매가 용해된 메탄올과 유지저장탱크(40)로부터 열교환기(42)를 경유한 식물성 유지를 와류를 형성하면서 재차 균일하게 혼합하여 에스테르화 반응이 수행되는 반응기(60)에 이송하는 제2라인믹스(50)와, 상기 메탄올, 촉매, 식물성 유지가 이송되는 이송관에 설치된 복수개의 펌프(P)로 구성된다.

여기서, 상기 촉매, 상기 메탄올, 상기 식물성유지의 혼합비율을 조절할 수 있도록 상기 펌프(P)의 유량을 제어하는 유량제어수단이 포함되는 것이 바람직할 것이다.

상기 메탄올에 용해되는 상기 촉매는, 산 또는 알칼리 촉매를 사용할 수 있으며, 본 고안에서는 에스테르화 반응속도를 높일 수 있는 수산화칼륨(KOH)을 사용하게 된다.

특히, 수산화칼륨은 바이오디젤유 생산공정에서 나오는 부산물인 글리세롤의 정제 과정 없이 비료로 활용할 경우, Potassium공급원으로써 가치가 높은 잇점이 있다.

상기 식물성유지는 집단 급식소, 식당 및 가정 등에서 배출되는 폐식용유를 사용하게 되는데, 상기 폐식용유에는 유리지방산과 수분이 함유되어 있어 에스테르화 반응에 큰 영향을 미치므로 유리지방산과 수분의 함량을 각각 1% 이하로 조절되도록 0.02기압 이하와, 140∼150℃의 온도로 감압 분별증류하여 정제한 것을 사용하게 된다.

또한, 상기 유지저장탱크(40)로부터 상기 폐식용유를 이송하게 되면 점도에 의해 이송중에 응축되므로, 상기 열교환기(42)와 히터(43)를 통하여 상기 폐식용유의 온도를 60℃로 유지하여 상기 제2라인믹스(50)로 공급하게 되는데, 이때 이송관에 일정간격마다 필터(F)를 설치하여 상기 폐식용유에 함유된 이물질을 제거하는 것이 바람직하다.

상기 제1/2라인믹스(30,50)는 배관 내부에 와류형성판(미도시)을 형성한 것으로, 상기 펌프(P)에 의해 이송되는 원료(메탄올, 수산화칼륨, 식물성유지)들이 상기 와류형성판을 경유하게 되면, 와류를 형성하며 균일하게 혼합된다.

상기 반응기(60)는 바이오디젤 제조장치의 일측에 설치된 히터(70)로부터 열량을 전달받아 약 80℃의 온도와, 컴퓨레서와 압력제어밸브에 의해 4.5∼5.5기압의 압력으로 유지되며, 그 내부에는 모터(61)에 의해 구동되는 교반기(62)가 설치된다.

상기 유량제어수단은, 상기 펌프(P)에 의해 이송되는 원료의 유량을 감지하는 비례제어유량계(80)와, 상기 비례제어유량계(80)의 감지신호를 전달받아 펌프구동부(83)에 제어신호를 송출하여 상기 펌프의 토출량을 조절하는 콘트롤러(82)와, 상기 콘트롤러(82)로부터 제어신호를 전달받아 원료의 이송압력을 조절하는 유압조절밸브(85)로 구성된다.(미설명부호 84는 밸브구동부)

또한, 상기 메탄올저장탱크(10), 상기 촉매저장탱크(20), 상기 유지저장탱크(40)의 내부에는 각각 수위감지센서(86)가 마련되며, 상기 수위감지센서(86)의 감지신호에 의해 외부에 경고음을 발하는 경고부저(88)가 더 구비되어 상기 원료의 잔량이 상기 수위감지센서(86)의 설정값의 이하로 남게 되면, 상기 컨트롤러(82)로 감지신호를 출력하여 상기 경고부저(88)를 작동시키게 된다.(미설명부호 87은 경고음발생부)

상기와 같이 구성된 본 고안의 작용 및 효과를 바이오디젤의 제조과정에 의거하여 설명하면, 조작판넬(미도시)을 조작하여 비례제어유량계(80)의 설정유량값을 입력한 후, 외부의 전원을 인가하여 원료 자동 혼합공급장치를 작동시킨다.

상기 원료 자동 혼합공급장치가 작동됨에 따라 펌프(P)가 구동되어 메탄올저장탱크(10)로부터 메탄올이 필터(F)를 통하여 이물질을 제거된 상태로 촉매저장탱크(20)로 공급된다.

상기 촉매저장탱크(20)에 이송되는 상기 메탄올은 상기 비례제어유량계(80)의 설정유량값에 의해 일정량씩 공급되어 상기 촉매저장탱크(20)에 저장된 촉매와 혼합되며, 촉매가 용해된 메탄올은 다시 상기 촉매저장탱크(20)로부터 펌프(P)에 의해 와류형성판(미도시)이 형성된 제1라인믹스(30)로 이송시킨다.

또한, 상기 메탄올저장탱크(10)로부터 펌프(P)를 통해 메탄올만을 필터(F)로 이송시켜 이물질을 제거한 후, 상기 제1라인믹스(30)로 이송시킨다.

상기 제1라인믹스(30)에 유입된 상기 촉매가 용해된 메탄올과 상기 메탄올저장탱크(10)로부터 이송된 메탄올은 와류형성판을 경유하면서 와류가 형성되면서 균일하게 혼합되며, 상기 제1라인믹스(30)를 경유한 상기 메탄올 및 상기 촉매가 용해된 메탄올은 제2라인믹스(50)로 이송된다.

이와 동시에, 유지저장탱크(40)로부터 펌프(P)에 의해 식물성유지가 필터(F)를 경유하며 열교환기(42)로 이송되며, 상기 열교환기(42)를 통해 약 100℃로 가열된 상기 식물성유지는 이송과정에서 열이 방출되어 온도가 낮아지는데, 이는 다시히터(43)에 의해 약 60℃로 가열되어 상기 제2라인믹스(50)로 이송된다.

상기 제2라인믹스(30)로 이송된 원료(촉매가 용해된 메탄올, 메탄올, 식물성유지)는 상기 제2라인믹스(30)의 와류형성판(미도시)을 경유하면서 와류를 형성하며 이송속도가 증가되고, 이로 인하여 상기 원료가 균일하게 혼합된다.

상기 제2라인믹스를 경유한 상기 원료는 교반기(60)가 설치된 반응기(60)로 유입되며, 상기 원료는 상기 교반기(60)에 의해 교반되고 히터(70)로부터 열량을 공급받아 약 80℃의 온도로 가열되며 에스테르화 반응을 일으킨다.

여기서, 상기 반응기(60)로 유입되는 상기 원료의 혼합비율은 본 고안의 일실시예로서 메틸알코올 22.6∼24.5중량%와, 촉매 0.4∼0.5중량%와, 식물성유지 75∼77중량%로 혼합되며, 상기 비교제어유량계(80)의 감지신호에 의해 상기 펌프(P)의 토출량과 상기 유압조절밸브(85)를 제어하는 유량제어수단을 통하여 상기 원료의 혼합비율을 조정할 수 있게 된다.

한편, 상기 메탄올저장탱크(10), 상기 촉매저장탱크(20), 상기 유지저장탱크(40)의 내부에는 각각 수위감지센서(86)가 마련되어 상기 원료의 잔량이 상기 수위감지센서(86)의 설정값의 이하로 남게 되면, 이를 감지하여 상기 컨트롤러(82)로 감지신호를 출력하여 경고부저(88)를 작동시켜줌으로써 작업자에게 원료의 잔량이 부족하다는 것을 알려주게 된다.

상기 반응기(60)에 유입된 상기 원료가 아래의 반응식과 같이 에스테르화 반응을 일으켜 에스테르화 기름을 생성하게 되며, 상기 에스테르화 기름은 경유와 비슷한 물성을 갖게 된다.

상기 반응기(60)에서 형성된 에스테르화기름은 글리세린이 포함되어 있는 바, 상기 에스테르화기름은 곧바로 분리기(90)로 보내어 촉매 등을 함유한 글리세린층과 지방산 메틸에스테르층으로 분리시킨다.

여기서, 수득된 지방산 메틸에스테르층에 비용해성 고체성분이 존재하는 경우에는 밀도차에 의해 상기 분리기의 하부에 자연스럽게 침전되며, 침전된 비용해성 고체성분을 상기 분리기(90)에서 제거시킨다.

상기 분리기(90)를 경유한 메틸에스테르는 라인믹스(91)를 경유하며, PH측정기를 통해 반응의 정도를 측정하게 된다.

여기서, 상기 PH측정기의 측정량값에 의하여 상기 메틸에스테르가 반응이 완성되지 않았다고 판단될 경우에는, 선택적으로 중화제인 인산을 추가 혼합하여 중화시키게 되는데, 중화제저장탱크(92)로부터 중화제를 추가로 투입하여 반응조(93)에서 혼합할 경우, 별도의 분리기(94)를 통해 메틸에스테르로부터 산화생성물을 제거하게 된다.

상기 PH측정기를 경유한 메틸에스테르를 120℃로 가열하여 기상의 메탄올과 액상의 바이오디젤(biodiesel)을 생성하게 되는데, 이때 기상의 메탄올은 별도로 분리하여 응축기(95)로 액화시켜 상기 메탄올저장탱크(10)로 회수함으로써, 기상의메탄올이 제거된 바이오디젤의 제조를 완료하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 고안의 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치는 유량제어수단에 의해 메탄올과, 촉매, 식물성유지를 일정량씩 자동으로 공급하여 상기 제1/2라인믹스(30,50)를 통하여 균일하게 혼합할 수 있어 바이오디젤을 자동화공정으로 대량생산할 수 있으며, 특히 촉매와 메탄올을 혼합하기 위한 별도의 공정이 필요 없어 바이오디젤의 제조시간 단축함과 아울러, 불필요한 인력낭비를 줄일 수 있는 것으로, 바이오디젤 제조장치에 있어서 매우 유용한 고안이라 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 고안에 의하면, 에스테르화 반응을 수행하기 위해 메탄올, 촉매, 식물성 유지를 일정비율로 혼합하여 반응기로 투입하는 일련의 과정을 펌프와 유량제어수단을 통해 자동화시스템으로 구축할 수 있으며, 원료의 이송과정중에 라인믹스를 통해 균일하게 혼합할 수 있어 바이오디젤의 제조시간을 단축함과 동시에 대량생산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 유량제어수단의 비교제어유량계의 유량값을 각각 설정함으로써 원료의 혼합비율을 용이하게 조정할 수 있으며, 원료들이 저장된 저장탱크에 수위감지센서와 경고부저가 구비되어 원료의 충전시기를 작업자에게 경고음으로 알려줄 수 있어 장치의 사용신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

촉매와 메탄올이 일정비율로 혼합 저장된 메탄올저장탱크와, 식물성 유지가 저장된 유지저장탱크와, 상기 유지저장탱크로부터 필터를 경유하여 공급되는 상기 식물성 유지를 일정온도로 가열하는 열교환장치와, 상기 열교환장치를 경유하며 가열된 식물성유지와 촉매가 혼합된 상기 메탄올을 에스테르화 반응을 시키기 위하여 각각 반응기에 공급하는 바이오디젤 제조용 원료 공급장치에 있어서,

상기 촉매를 별도로 저장하며 상기 메탄올저장탱크와 이송관으로 연결되어 메탄올이 공급되는 촉매저장탱크와;

상기 촉매저장탱크로부터 촉매가 용해된 메탄올과, 상기 메탄올저장탱크로부터 이송되는 메탄올을 와류를 형성하며 균일하게 혼합해주는 제1라인믹스와;

상기 제1라인믹스를 경유한 촉매가 용해된 메탄올과 상기 열교환기를 경유한 식물성 유지를 와류를 형성하면서 재차 균일하게 혼합하여 상기 반응기에 이송하는 제2라인믹스와;

상기 메탄올, 촉매, 식물성 유지가 이송되는 이송관에 설치된 복수개의 펌프로 구성되되,

상기 촉매, 상기 메탄올, 상기 식물성유지의 혼합비율을 조절할 수 있도록 상기 펌프의 유량을 제어하는 유량제어수단이 포함되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치.
제 1항에 있어서, 상기 유량제어수단은,

상기 펌프에 의해 이송되는 원료의 유량을 감지하는 비례제어유량계와;

상기 비례제어유량계의 감지신호를 전달받아 펌프구동부에 제어신호를 송출하여 상기 펌프의 토출량을 조절하는 콘트롤러와;

상기 콘트롤러로부터 제어신호를 전달받아 원료의 이송압력을 조절하는 유압조절밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 유지저장탱크, 상기 메탄올저장탱크, 상기 촉매저장탱크의 내부에는 각각 수위감지센서가 마련되며, 상기 수위감지센서의 감지신호에 의해 외부에 경고음을 발하는 경고부저가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 원료 자동혼합 공급장치.