KR20070106236A - Method and apparatus for preparing fatty acid alkyl ester using fatty acid - Google Patents

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Abstract

A method for preparing a fatty acid alkyl ester from a fatty acid is provided to obtain a fatty acid alkyl ester suitable for bio-diesel fuel, to avoid the use of a catalyst, and to allow the use of a cost-efficient starting material. A method for preparing a fatty acid alkyl ester for bio-diesel fuel comprises a step of carrying out esterification of a fatty acid starting material and an alcohol at a reaction temperature of 200-350 deg.C under ambient pressure to a pressure of 10 bar. The fatty acid starting material is a fatty acid distillate generated as a byproduct during the purification of vegetable oil that includes a step of heating crude. The fatty acid distillate comprises 65-95 wt% of fatty acids having an aliphatic moiety containing 14-24 carbon atoms.

Description

지방산을 이용한 지방산알킬에스테르의 제조방법 및 장치{Method and apparatus for preparing fatty acid alkyl ester using fatty acid}Method and apparatus for preparing fatty acid alkyl ester using fatty acid {Method and apparatus for preparing fatty acid alkyl ester using fatty acid}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지방산알킬에스테르 제조장치의 전체 구성도.1 is an overall configuration of the fatty acid alkyl ester production apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 지방산알킬에스테르 반응부의 세부 구성도.Figure 2 is a detailed block diagram of a fatty acid alkyl ester reaction unit shown in FIG.

도 3 및 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 지방산알킬에스테르 제조 장치에 사용되는 반응기의 구조를 보여주는 도면.3 and 4 respectively show the structure of a reactor used in the fatty acid alkyl ester production apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 지방산을 이용한 지방산알킬에스테르의 제조방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 촉매를 도입하지 않고, 지방산, 특히 지방산 디스틸레이트(fatty acid distillate)와 알코올을 반응시킴으로써, 촉매 및 글리세린의 정제공정이 불필요할 뿐 만 아니라, 지방산의 전환율이 우수한, 바이오디젤용 지방산알킬에스테르의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for preparing fatty acid alkyl esters using fatty acids, and more particularly, to a catalyst and glycerin by reacting a fatty acid, particularly fatty acid distillate and an alcohol, without introducing a catalyst. The present invention relates to a method and apparatus for producing fatty acid alkyl esters for biodiesel, in which not only the purification step is unnecessary but also excellent in the conversion of fatty acids.

디젤유는 원유로부터 얻어지는 여러 가지 연료 중에서, 연비가 좋고, 가격이 저렴하며, 이산화탄소 발생량이 적은 장점을 가지는 반면, 연소 후 대기오염 물질이 많이 발생하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 디젤유와 물성이 유사하며, 경제적인 측면에서도 우수하고, 대기오염을 방지할 수 있는 대체 연료에 대한 연구가 다각적으로 이루어지고 있다. 바이오디젤은 디젤유와 물성이 유사하면서도 대기오염 발생을 현저히 감소시킬 수 있는 자연순환형 에너지로서, 일반적으로, 산 촉매 또는 알칼리 촉매 하에서, 유채유, 대두유, 해바라기유, 팜유 등의 식물성 기름, 동물성 지방, 폐식용유 등과 알코올을 에스테르교환 반응시켜 얻는다. 이러한 바이오디젤의 제조에서는, 바이오디젤의 약 10중량%에 해당하는 양만큼의 글리세린이 부산물로서 발생하는데, 최근 바이오디젤의 공장 건설이 세계적으로 급속히 진행되고 있는 현실을 고려하면, 글리세린의 공급과잉이 예상된다.Diesel oil has advantages such as good fuel economy, low price, and low amount of carbon dioxide generation, among various fuels obtained from crude oil, while many air pollutants are generated after combustion. In order to solve this problem, researches on alternative fuels having similar physical properties to diesel oil, excellent economical aspects and preventing air pollution have been conducted in various ways. Biodiesel is a natural circulation energy that has similar properties to diesel oil but can significantly reduce air pollution. Generally, vegetable oils and animal fats such as rapeseed oil, soybean oil, sunflower oil, palm oil, etc. Obtained by the transesterification reaction of alcohol, waste cooking oil and the like. In the production of such biodiesel, glycerin is produced as a by-product of about 10% by weight of biodiesel. Considering the fact that the plant construction of biodiesel is rapidly progressing in the world, the oversupply of glycerin It is expected.

한편, 유지에는 일반적으로 유리 지방산(free fatty acids)이 함유되어, 지방산 트리글리세리드와 혼합된 형태로 존재한다. 유리 지방산은 유지의 정제 과정에서 부산물로서 분리되는데, 이와 같이 분리된 유리 지방산으로부터 지방산알킬에스테르를 제조하는 몇 가지 방법이 알려져 있다. 유리 지방산을 에스테르화하는 방법은 유럽특허공개 127104A호, 유럽특허공개 184740A호 및 미국특허 4,164,506호 등에 개시되어 있는데, 이들 방법에서는, 황산 또는 술폰산 촉매 하에, 65℃ 정도의 온도에서, 지방산 및 지방산 트리글리세리드의 혼합물과 메탄올을 함께 가열하 여 에스테르화 반응을 수행하였다. 또한, 유지로부터 지방산알킬에스테르의 수율을 높이기 위한 방법으로서, 에스테르교환 반응의 결과로 얻어진 글리세린 상에서 유리 지방산을 분리한 다음, 분리된 유리 지방산을 에스테르화하는 방법이 유럽특허공개 708813A호에 개시되어 있다. 이 방법에서는 글리세린 상의 중화로부터 얻은 유리 지방산을 진한 황산 촉매 하에 85℃ 정도의 온도에서 2시간 동안 반응시켜, 지방산의 함량을 50%에서 12%까지 감소시켰다. 그 밖에, 반응기에 동적 난류를 일으키는 기계적 장치나 초음파를 이용하여, 지방산의 에스테르화 반응 효율을 높이는 방법이 공지되었으며(한국특허공개 2004-0101446호, 국제출원공개 WO 2003/ 087278호), 이 방법에서는 황산 또는 이온교환수지를 촉매로 하여, 고압 및 고온 조건에서, 지방산 또는 유지에 함유된 지방산을 알코올과 반응시켜 에스테르화 하였다. 또한, 한국특허공개 2004-87625호에는 고체산 촉매를 이용하여, 폐식용유로부터 유리지방산을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법들은 공통적으로 황산 등의 촉매를 사용하는데, 이와 같은 산촉매는 반응 후 완전히 제거되지 않으면 바이오디젤의 품질을 저하시키므로, 이를 중화 및 여과, 세척하기 위한 복잡한 공정을 수행하여야 할 뿐 만 아니라, 고체산의 경우 촉매의 수명이 짧고 이를 재생하는데 많은 비용이 소요되는 단점이 있다. 또한, 상기 종래의 방법들은, 지방산의 에스테르화 반응을 저온에서 수행하므로, 반응단계에서 생성되는 물이 효과적으로 반응계 외부로 제거되지 못하여, 지방산의 지방산알킬에스테르로의 전환율이 낮아, 바이오디젤 용도로는 적합한 물성을 가지지 못하는 단점이 있다.On the other hand, fats and oils generally contain free fatty acids, and are present in a mixed form with fatty acid triglycerides. Free fatty acids are separated as by-products during the purification of fats and oils, and several methods are known for preparing fatty acid alkyl esters from these separated free fatty acids. Methods of esterifying free fatty acids are disclosed in EP 127104A, EP 184740A, and US Pat. No. 4,164,506, which involve fatty acids and fatty acid triglycerides at temperatures around 65 ° C. under sulfuric acid or sulfonic acid catalysts. The esterification reaction was carried out by heating the mixture of and methanol together. Further, as a method for increasing the yield of fatty acid alkyl esters from fats and oils, a method of separating free fatty acids on glycerin obtained as a result of a transesterification reaction and then esterifying the isolated free fatty acids is disclosed in European Patent Publication No. 708813A. . In this method, free fatty acids obtained from neutralization on glycerin were reacted for 2 hours at a temperature of about 85 ° C. under a concentrated sulfuric acid catalyst, thereby reducing the content of fatty acids from 50% to 12%. In addition, a method of increasing the esterification efficiency of fatty acids using a mechanical device or ultrasonic wave that causes dynamic turbulence in a reactor has been known (Korean Patent Publication No. 2004-0101446, International Application Publication No. WO 2003/087278). In the above, sulfuric acid or ion exchange resin was used as a catalyst, and fatty acid or fatty acid contained in fat or oil was reacted with alcohol under high pressure and high temperature. In addition, Korean Patent Publication No. 2004-87625 discloses a method for removing free fatty acids from waste cooking oil using a solid acid catalyst. The above methods commonly use catalysts such as sulfuric acid. Since such an acid catalyst degrades the quality of biodiesel if not completely removed after the reaction, it is not only necessary to perform a complicated process for neutralizing, filtration and washing, but also solids. In the case of acid, the catalyst has a short life and a high cost for regenerating the catalyst. In addition, the conventional methods, because the esterification reaction of fatty acids at low temperature, the water produced in the reaction step is not effectively removed to the outside of the reaction system, the conversion rate of fatty acids to fatty acid alkyl ester is low, biodiesel use There is a disadvantage of not having proper physical properties.

따라서 본 발명의 목적은, 바이오디젤 연료용으로 적합한 지방산알킬에스테르의 제조방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a process for preparing fatty acid alkyl esters suitable for biodiesel fuels.

본 발명의 다른 목적은, 촉매 하에서, 식물성 또는 동물성 유지와 알코올을 에스테르교환 반응시켜, 지방산알킬에스테르 및 글리세린을 제조하는 종래의 방법과는 달리, 촉매를 사용하지 않고, 고온 영역에서 지방산과 알코올을 에스테르화 반응시켜, 지방산알킬에스테르를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is that, unlike a conventional method for producing fatty acid alkyl esters and glycerin by transesterifying vegetable or animal fats and alcohols under a catalyst, fatty acids and alcohols in a high temperature region without the use of a catalyst It is to provide a method for producing a fatty acid alkyl ester by esterification.

본 발명의 또 다른 목적은, 식물성 유지를 정제하는 과정에서 부산물로 발생되는 지방산 디스틸레이트를 원료로 사용하여, 간편하고 경제적이며, 글리세린의 발생 없이 지방산알킬에스테르를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for producing fatty acid alkyl esters using fatty acid distillate, which is generated as a by-product in the process of purifying vegetable oils, as a raw material, which is simple and economical, without generating glycerin.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 지방산알킬에스테르의 제조를 효과적으로 수행할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an apparatus capable of effectively carrying out the preparation of the fatty acid alkyl ester.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 200 내지 350℃의 반응 온도 및 상압 내지 10 바아의 반응 압력에서, 지방산 원료와 알코올을 에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 또한 200 내지 350℃의 반응 온도 및 상압 내지 10 바아의 반응 압력에서, 지방산 원료와 알코올을 에스테르화 반응시키되, 전체 지방산의 80 내지 90%를 지방산알킬에스테르로 전환시키는 1차 반응기; 및 상기 1차 반응기에서 전환되지 않은 나머지 지방산을 지방산알킬에스테르로 전환하는 2차 반응기를 포함하는 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치를 제공한다. 본 발명은 또한 1개 이상의 반응기를 포함하며, 지방산 원료와 알코올을 반응시켜 지방산알킬에스테르를 얻기 위한 반응부; 상기 지방산알킬에스테르로부터 저비점 불순물을 증류시켜 제거하기 위한 1차 정제부; 및 상기 1차 정제된 지방산알킬에스테르를 증류시켜 얻고, 잔류물을 제거하기 위한 2차 정제부를 포함하며, 상기 반응부의 상부에는, 과잉의 알코올을 재순환하고, 상기 반응부에서 생성된 물을 제거하기 위한 알코올 회수부가 연결되어 있는 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a method for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel comprising the step of esterifying a fatty acid raw material and alcohol at a reaction temperature of 200 to 350 ℃ and a reaction pressure of normal pressure to 10 bar. To provide. The present invention also provides a primary reactor for esterifying a fatty acid raw material and an alcohol at a reaction temperature of 200 to 350 ° C. and a reaction pressure of normal pressure to 10 bar, while converting 80 to 90% of all fatty acids to fatty acid alkyl esters; And a secondary reactor for converting the remaining fatty acids not converted in the primary reactor into fatty acid alkyl esters. The present invention also includes one or more reactors, the reaction unit for obtaining a fatty acid alkyl ester by reacting a fatty acid raw material and an alcohol; Primary purification unit for distilling low boiling point impurities from the fatty acid alkyl ester; And a second purification unit for distilling the first purified fatty acid alkyl ester and removing residues. The upper part of the reaction unit is configured to recycle excess alcohol and to remove water generated in the reaction unit. Provided is an apparatus for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel, in which an alcohol recovery unit is connected.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in more detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지방산알킬에스테르 제조장치의 전체 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 지방산 원료(1, 이하, 필요에 따라 단순히 지방산이라 한다.)과 알코올(2)이 반응부(10)에 투입되어, 일정 온도와 압력 조건에서 에스테르화 반응이 진행된다. 상기 에스테르화 반응에서 생성된 조(crude) 지방산알킬에스테르(4)는 1차 정제부(20)로 이송되고, 증류에 의해 저비점 불순물(5)이 1차 정제부(20)의 증류탑 상부를 통하여 제거될 수 있다. 상기 1차 정제된 지방산알킬에스테르(6)는 2차 정제부(30)로 이송되고, 증류에 의해 잔류 불순물(8)은 남고, 정제된 지방산알킬에스테르(7)가 2차 정제부(30)의 증류탑 상부를 통하여 배출된다. 한편, 상기 반응부(10)에는 알코올 회수부(40)가 연결되어 있어서, 반응부(10)의 반응기에서 생성된 물과 반응에 참여하지 않은 과잉의 알코올(알코올/물, 3)은 알코올 회수부(40)로 이송되고, 여기서 알코올(2)은 증류되어 반응부(10)로 재순환되고, 물(9)은 폐수처리장으로 보내진다. 1 is an overall configuration of the fatty acid alkyl ester production apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a fatty acid raw material 1 (hereinafter, simply referred to as fatty acid as necessary) and an alcohol 2 are added to the reaction unit 10, and an esterification reaction proceeds at a constant temperature and pressure conditions. do. Crude fatty acid alkyl ester (4) produced in the esterification reaction is transferred to the primary purification unit 20, the low boiling point impurities (5) by distillation through the top of the distillation column of the primary purification unit 20 Can be removed. The primary purified fatty acid alkyl ester (6) is transferred to the secondary purification unit (30), residual impurities (8) are left by distillation, and the purified fatty acid alkyl ester (7) is the secondary purification unit (30). Is discharged through the top of the distillation column. On the other hand, the reaction unit 10 is connected to the alcohol recovery unit 40, the excess alcohol (alcohol / water, 3) that does not participate in the reaction with water generated in the reactor of the reaction unit 10 is alcohol recovery It is sent to the unit 40, where the alcohol 2 is distilled off and recycled to the reaction unit 10, and the water 9 is sent to a wastewater treatment plant.

본 발명에 있어서, 지방산알킬에스테르(7)의 제조에 사용되는 지방산 원료(1)로는, 지방족 부분(R)의 탄소수가 14 내지 24개인 순수한 지방산(RCOOH)을 사용할 수 도 있으나, 유채, 대두, 해바리기, 팜(palm) 등의 식물로부터 채취한 식물성 조 유지(crude oil)를 고압 스팀(steam) 등으로 가열하여, 유채유, 대두유, 해바라기유, 팜유 등의 식물성 정제 오일을 얻는 경우에, 부산물로서 발생하는 지방산 디스틸레이트(fatty acid distillate)를 사용하는 것이 바람직하고, 필요에 따라 순수한 지방산과 지방산 디스틸레이트의 혼합물을 사용할 수 도 있다. 상기 지방산 디스틸레이트는 지방족 부분의 탄소수가 14 내지 24개인 지방산을 65 내지 95중량%, 바람직하게는 80 내지 85중량% 포함하며, 나머지 성분으로서 β-카로틴, 지방족 부분의 탄소수가 14개 미만, 또는 24개를 초과하는 지방산 등을 포함한다. 본 발명에 따른 지방산알킬에스테르의 제조에 있어서, 원료로서 상기 지방산 디스틸레이트를 사용하면 경제적으로 더욱 유리하다. 본 발명에 사용되는 알코올로는 탄소수 1 내지 10의 일가 알코올, 바람직하게는 메탄올, 에탄올, 프로판올 등의 탄소수 1 내지 4의 저급 일가 알코올을 사용할 수 있으며, 그 중에서도 특히 메탄올이 바람직하다.In the present invention, the fatty acid raw material (1) used in the production of the fatty acid alkyl ester (7) may be a pure fatty acid (RCOOH) having 14 to 24 carbon atoms of the aliphatic moiety (R). In the case of obtaining vegetable refined oils such as rapeseed oil, soybean oil, sunflower oil and palm oil by heating vegetable crude oils obtained from plants such as sunflower and palm with high pressure steam, etc. It is preferable to use fatty acid distillate which is generated, and a mixture of pure fatty acid and fatty acid distillate may be used if necessary. The fatty acid distillate comprises 65 to 95% by weight, preferably 80 to 85% by weight of fatty acids having 14 to 24 carbon atoms in the aliphatic moiety, β-carotene, less than 14 carbon atoms in the aliphatic moiety, Or more than 24 fatty acids and the like. In the production of fatty acid alkyl esters according to the invention, it is more economically advantageous to use the fatty acid distillates as raw materials. As the alcohol used in the present invention, a monohydric alcohol having 1 to 10 carbon atoms, preferably a lower monohydric alcohol having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol or propanol can be used, and methanol is particularly preferable.

본 발명에서 에스테르화 반응은 1단계 또는 2단계로 이루어질 수 있다. 에스테르화 반응이 1단계로 이루어지는 경우에, 반응부(10)는 1개의 반응기와 1개의 증류탑으로 구성되고, 2단계로 이루어진 경우, 반응부(10)는 2개의 반응기와 1개의 증류탑으로 구성되어 증류탑을 공동으로 사용하거나, 도 2에서와 같이 각 단계가 1개의 반응기와 1개의 증류탑으로 구성될 수 있다. 그밖에, 반응기와 증류탑이 별도로 존재하지 않고 일체화되어 구성될 수 있는데, 이때 하부는 반응기 역할을 하고 상부는 증류탑의 역할을 하도록 구성된다. 이 경우, 증류탑 역할을 하는 상부와 반응기 역할을 하는 하부 사이에는 씰 트레이(seal tray)를 설치하여 물이 상부로부터 하부로 낙하되지 않도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 에스테르화 반응은 회분식 또는 연속식으로 이루어질 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 1단계로 이루어지거나, 2단계로 나누어 이루어질 수 있다. 연속식 반응의 경우, 체류시간이 충분하면 1단계 반응만으로도 높은 전환율을 얻을 수 있으나, 바람직하게는 2단계로 반응을 실시한다. 회분식의 경우에도 1차 반응에서의 전환율이 충분하지 않으면, 반응 조건을 달리하여 2차 반응을 실시함으로서, 전환율을 높일 수 있다.In the present invention, the esterification reaction may be performed in one step or two steps. In the case where the esterification reaction is performed in one step, the reaction part 10 is composed of one reactor and one distillation column, and in the case of two steps, the reaction part 10 is composed of two reactors and one distillation column. The distillation column may be used in common, or each stage may be composed of one reactor and one distillation column as shown in FIG. 2. In addition, the reactor and the distillation column may be integrally configured without being present separately, wherein the lower part serves as a reactor and the upper part is configured to serve as a distillation tower. In this case, a seal tray may be installed between the upper part serving as a distillation column and the lower part serving as a reactor so that water does not fall from the upper part to the lower part. The esterification reaction according to the present invention may be carried out in batch or continuous mode, and may be made in one step or divided into two steps as described above. In the case of the continuous reaction, if the residence time is sufficient, high conversion can be obtained by only one step reaction, but the reaction is preferably carried out in two steps. Even in the case of a batch type, if the conversion rate in the primary reaction is not sufficient, the conversion rate can be increased by performing the secondary reaction under different reaction conditions.

도 2는 도 1의 반응부(10)를 구체화한 일례로서, 2개의 반응기(11, 12)와 2개의 증류탑(13, 14)으로 구성된 반응부를 나타낸 것이다. 도 2를 보면, 1차 반응기(11)에서 일정 정도 반응이 진행된 생성물(4a)은 2차 반응기(12)로 알코올(2)과 함께 도입되어 2차 반응에 참여하고, 2차 반응을 거친 생성물(조 지방산알킬에스테 르, 4)은 도 1의 정제부(20, 30)로 이송된다. 각각의 반응기(11, 12)에서 생성된 물과 반응에 참여하지 않은 과잉의 알코올의 혼합물(3a)은 증류탑(13, 14)으로 배출되고, 증류탑(13, 14)에서 분리되어, 증류탑(13, 14) 상부로는 순수한 알코올 또는 알코올/물 공비 혼합물(3b), 증류탑(13, 14) 하부로는 물농도가 높은 물/알코올 혼합물(3)이 배출된다. 여기서, 증류탑(13, 14) 상부에서 얻어진 순수한 알코올 또는 알코올/물 공비 혼합물(3b)은 반응부(10)로 도입되는 알코올로 재사용될 수 있고, 물 농도가 높은 물/알코올 혼합물(3)은 도 1의 알코올 회수부(40)로 이송된다.FIG. 2 is an example in which the reaction part 10 of FIG. 1 is embodied, and shows a reaction part including two reactors 11 and 12 and two distillation towers 13 and 14. Referring to FIG. 2, the product 4a having undergone a reaction in the primary reactor 11 is introduced into the secondary reactor 12 together with the alcohol 2 to participate in the secondary reaction, and the product undergoes the secondary reaction. (Crude fatty acid alkyl ester, 4) is transferred to the purification section 20, 30 of FIG. The mixture 3a of water produced in each reactor 11 and 12 and excess alcohol not participating in the reaction is discharged to the distillation towers 13 and 14, separated from the distillation towers 13 and 14, and the distillation tower 13 14) pure alcohol or alcohol / water azeotropy mixture 3b at the top, and water / alcohol mixture 3 having a high water concentration are discharged below the distillation columns 13 and 14. Here, the pure alcohol or alcohol / water azeotropic mixture 3b obtained at the top of the distillation column 13 and 14 may be reused as the alcohol introduced into the reaction section 10, and the water / alcohol mixture 3 having a high water concentration may be It is transferred to the alcohol recovery part 40 of FIG.

이하, 본 발명에 따른 지방산알킬에스테르의 제조 조건을 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 에스테르화 반응은 촉매가 도입되지 않으나, 고온 영역에서 수행되므로, 높은 반응 속도 및 지방산의 전환율을 얻을 수 있다. 상기 에스테르화 반응 온도는 200 내지 350℃, 바람직하게는 250 내지 320℃ 이고, 반응 압력은 상압 내지 10 바아, 바람직하게는 상압 내지 5 바아이다. 상기 반응은 회분식 또는 연속식으로 이루어질 수 있다. 반응이 회분식으로 이루어질 경우, 상압 내지 10바아의 일정한 압력을 유지하며 반응을 실시하거나, 초기에는 3바아 내지 10바아의 상대적으로 고압에서 반응을 실시하여 반응속도를 높이고, 말기에는 상압 내지 3바아로 압력을 낮추어 생성되는 물을 반응액상으로부터 제거함으로써 반응의 전환율을 높인다. 반응이 연속식으로 이루어질 경우, 전체 단계의 반응공정을 상압 내지 10바아의 일정 압력에서 반응을 실시하거나, 2단계 반응일 경우 1차 반응기에서는 3바아 내지 10바아, 2차 반응기에서는 상압 내지 3바아에서 반응을 실시한다. 상기 반응온도 및 압력이 상기 범위를 벗어나면, 반응속도 및 지방산의 전환률이 저하되거나, 부반응의 우려가 있다. Hereinafter, the production conditions of the fatty acid alkyl ester according to the present invention will be described in detail. The esterification reaction according to the present invention does not introduce a catalyst, but is carried out in a high temperature region, so that a high reaction rate and a conversion rate of fatty acids can be obtained. The esterification temperature is 200 to 350 ° C, preferably 250 to 320 ° C, and the reaction pressure is from normal pressure to 10 bar, preferably from atmospheric pressure to 5 bar. The reaction may be batchwise or continuously. When the reaction is batch-wise, the reaction is carried out while maintaining a constant pressure of atmospheric pressure to 10 bar, or initially the reaction at a relatively high pressure of 3 bar to 10 bar to increase the reaction rate, at the end of normal pressure to 3 bar By lowering the pressure, the water produced is removed from the reaction liquid to increase the conversion of the reaction. When the reaction is carried out continuously, the reaction of the entire stage is carried out at a constant pressure of atmospheric pressure to 10 bar, or in the case of a two-stage reaction, 3 bar to 10 bar in the first reactor, normal pressure to 3 bar in the secondary reactor The reaction is carried out at. If the reaction temperature and pressure are out of the above range, the reaction rate and the conversion rate of fatty acids may decrease or there may be a side reaction.

촉매를 이용한 종래의 지방산의 에스테르화 반응은, 통상 100℃ 미만의 저온에서 실시되고, 반응 중 생성되는 물이 반응계로부터 제거되지 못하므로, 반응평형 이상으로는 반응이 진행되지 못한다. 그러나, 본 발명에서는 200 내지 350℃의 고온에서 반응을 수행하므로, 반응에서 생성된 물은 과잉의 알코올과 함께, 반응계에서 지속적으로 제거된다. 따라서, 본 발명에 따른 에스테르화 반응은 반응평형을 넘어, 완전 반응에 가까울 정도로 반응 전환율이 우수한 장점을 가진다. 특히, 본 발명에 따라 지방산알킬에스테르의 주요 용도인 바이오디젤에 있어서는, 전산가(㎎ KOH/g)를 소정치 이하로 낮추어야 하나, 미반응된 지방산 성분(지방족 부분의 탄소수가 13 내지 18개)이 잔류하면, 제조된 지방산알킬에스테르의 전산가(㎎ KOH/g)가 높아져, 바이오디젤의 품질기준을 충족하지 못할 우려가 있다. 이와 같이 미반응된 지방산 성분은 지방산메틸에스테르와 비점이 유사하여, 증류에 의해서도 분리되지 않으므로, 반응 단계에서 완전 반응에 의하여, 제거되어야 한다. 본 발명에 따른 지방산알킬에스테르의 제조방법은 지방산의 전환율이 99.7% 이상으로서, 바이오디젤 품질 기준상의 전산가 항목을 충족시킬 수 있는 반면, 통상의 촉매를 이용한 지방산알킬에스테르의 제조방법으로는 지방산의 전환율을 99.7% 이상으로 향상시키기 어렵다. The conventional esterification reaction of a fatty acid using a catalyst is usually carried out at a low temperature of less than 100 ° C., and since water produced during the reaction cannot be removed from the reaction system, the reaction cannot proceed beyond the reaction equilibrium. However, in the present invention, since the reaction is carried out at a high temperature of 200 to 350 ℃, the water produced in the reaction is continuously removed from the reaction system, with excess alcohol. Therefore, the esterification reaction according to the present invention has an advantage in that the reaction conversion rate is so high that the reaction reaction is over and close to the complete reaction. In particular, in the biodiesel which is the main use of fatty acid alkyl ester according to the present invention, the acid value (mg KOH / g) should be lowered below a predetermined value, but the unreacted fatty acid component (the aliphatic moiety has 13 to 18 carbon atoms) If it remains, the acid value (mg KOH / g) of the produced fatty acid alkyl ester becomes high, and there exists a possibility that it may not satisfy | fill biodiesel quality standards. Since the unreacted fatty acid component is similar in boiling point to fatty acid methyl ester and is not separated even by distillation, it must be removed by complete reaction in the reaction step. The fatty acid alkyl ester production method according to the present invention has a conversion rate of fatty acids of 99.7% or more, which can satisfy the value of the acid value on the biodiesel quality standard, whereas the fatty acid alkyl ester production method using a conventional catalyst is a conversion rate of fatty acids. Is difficult to improve to more than 99.7%.

알코올의 투입은, 연속식일 경우, 투입되는 지방산에 대하여 중량비로 0.5 내지 5배, 바람직하게는 1 내지 3배의 유량으로 투입하며, 전체 반응 공정의 체류시간은 1 내지 10시간, 바람직하게는 3 내지 5시간이 되도록 한다. 여기서, 알코올의 투입량이 상기 범위를 벗어나면, 반응속도, 반응수율 등이 저하될 우려가 있고, 경제적으로도 바람직하지 못하다. 상기 회분식일 경우, 지방산과 상기 지방산에 대하여 중량비로 0.1 내지 3배의 알코올을 반응기내에 투입하여 채워놓고, 일정 압력과 온도에 도달하면 주반응에 참여할 알코올을 투입하는데, 전체 반응 시간 동안 투입되는 알코올의 총량이, 지방산에 대하여 중량비로 0.5 내지 5배, 바람직하게는 1 내지 3배가 되도록 유량을 유지하며, 반응은 1 내지 10시간, 바람직하게는 3 내지 5시간 동안 실시한다. 또한, 상기 회분식 또는 연속식 반응 후기에 알코올의 투입량을 증가시켜 초기 투입량의 1 ~ 3배, 바람직하게는 1.5 내지 3배로 투입하면 반응 전환율을 더욱 증가시킬 수 있다. In the case of continuous type, alcohol is added at a flow rate of 0.5 to 5 times, preferably 1 to 3 times, by weight relative to the fatty acid to be added, and the residence time of the entire reaction process is 1 to 10 hours, preferably 3 To 5 hours. Here, if the amount of alcohol is out of the above range, there is a fear that the reaction rate, reaction yield, etc. are lowered, and it is not economically preferable. In the case of the batch type, 0.1 to 3 times the weight of the fatty acid and the fatty acid is added to the reactor in the reactor and filled, and when the predetermined pressure and temperature is reached, the alcohol to participate in the main reaction is added. The flow rate is maintained so that the total amount of is 0.5 to 5 times, preferably 1 to 3 times by weight relative to the fatty acid, and the reaction is carried out for 1 to 10 hours, preferably 3 to 5 hours. In addition, by increasing the input amount of alcohol in the latter batch or continuous reaction, the reaction conversion may be further increased by adding 1 to 3 times the initial dose, preferably 1.5 to 3 times.

본 발명에 사용되는 에스테르화 반응기로는, 비한정적으로, 교반기가 부착된 연속교반탱크반응기(continuous stirred tank reactor; CSTR type), 충분한 체류 시간을 유지하도록, 반응기 내부에 배플(baffle)을 부착시킨 관형반응기(plug flow reactor; PFR) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 반응기 내에 격막을 설치하여, 반응기 내부를 다수의 격실(隔室, compartment)로 분리하고, 반응물이 오버플로우(overflow)되어, 다음 격실로 순차적으로 이송되도록 함으로써, 반응물에 충분한 체류 시간을 부여할 수 있는 반응기를 사용하는 것이 바람직하다.  As the esterification reactor used in the present invention, without limitation, a continuous stirred tank reactor (CSTR type) with a stirrer, a baffle is attached to the inside of the reactor to maintain a sufficient residence time. A plug flow reactor (PFR) or the like can be used, and preferably, a diaphragm is installed in the reactor to separate the reactor into a plurality of compartments, and the reactant overflows. It is preferred to use a reactor that can be given a sufficient residence time to the reactants by being sequentially transferred to the next compartment.

도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지방산알킬에스테르의 제조 장치에 특히 유용하게 사용될 수 있는 반응기의 구조를 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 에스테르화 반응기는 전체 지방산의 80 내지 90%를 지방산알킬에스테르로 전환시키는 1차 반응기(30) 및 상기 1차 반응기(30)에서 전환되지 않은 나머지 지방산을 지방산알킬에스테르로 전환하는 2차 반응기(40)을 포함한다. 원료인 지방산(1)과 알코올(2)은 상기 1차 반응기(30)로 유입되어 1차 반응되며, 상기 1차 반응의 생성물(4a)은 반응기(30) 하부를 통하여 배출되고, 상기 1차 반응에서 생성된 물과 반응에 참여하지 않은 과잉의 알코올의 혼합물(3a)은 기체 상태로 반응기(30) 상부로 배출된다. 상기 2차 반응기(40)는 반응기 본체(42)와 상기 본체(42) 내부를 2이상의 내부 공간(44a, 44b, 44c)으로 분할하며, 상부가 개방되어, 반응물이 상부로 오버플로우(overflow)되도록 되어 있는 격벽(46a, 46b)을 포함한다. 상기 2차 반응기(40)의 내부 공간(44a, 44b, 44c)들은 동일 평면상에 존재할 수 있으며, 상기 격벽(46a, 46b) 상부를 통하여, 인접하는 내부 공간(44a, 44b, 44c)이 유동 가능하게 연결되어 있다. 따라서, 어느 하나, 예를 들면 제1 내부공간(44a)으로 유입된 1차 반응의 생성물(4a)과 알코올(2)은 제1 내부공간(44a)에서 충분히 반응된 후, 1차 반응의 생성물(4a)의 유입량이 증가함에 따라, 제1 격벽(46a)을 넘어 제2 내부공간(44b)으로 유입되고, 다시 제2 내부공간(44b)에서 알코올(2)과 반응된 후, 제2 격벽(46b)을 넘어 제3 내부공간(44c)에서 반응하여, 조(crude) 지방산알킬에스테르(4)로 전환된 다음, 2차 반응기(40)으로부터 유출된다. 이때, 반응 중 생성된 물과 알코올의 혼합물(3a)은, 2차 반응기(40) 상부로 배출된다. 상기 1차 반응기(30) 및 2차 반응기(40)의 각 내부 공간(44a, 44b, 44c)에는 반응물을 교반하기 위한 교반기(38, 48)가 각각 장착되어 있을 수 있다.3 and 4 are views showing the structure of a reactor that can be particularly useful in the apparatus for producing a fatty acid alkyl ester according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the esterification reactor used in the present invention is the primary reactor 30 for converting 80 to 90% of the total fatty acids into fatty acid alkyl esters and the remaining unconverted in the primary reactor 30. And a secondary reactor 40 for converting fatty acids to fatty acid alkyl esters. Fatty acids (1) and alcohols (2), which are raw materials, are introduced into the primary reactor (30) and reacted firstly. The product (4a) of the primary reaction is discharged through the lower portion of the reactor (30), and the primary The mixture 3a of water produced in the reaction and excess alcohol not participating in the reaction is discharged to the top of the reactor 30 in a gaseous state. The secondary reactor 40 divides the reactor body 42 and the inside of the body 42 into two or more internal spaces 44a, 44b, and 44c, and is open at the top so that the reactant overflows to the top. Barrier ribs 46a and 46b. The inner spaces 44a, 44b, 44c of the secondary reactor 40 may be coplanar, and adjacent inner spaces 44a, 44b, 44c flow through the partition walls 46a, 46b. It is possibly connected. Thus, for example, the product 4a of the first reaction introduced into the first inner space 44a and the alcohol 2 are sufficiently reacted in the first inner space 44a, and then the product of the first reaction 44a. As the inflow amount of 4a increases, it flows into the second inner space 44b beyond the first partition wall 46a, reacts with the alcohol 2 in the second inner space 44b, and then the second partition wall It reacts in the 3rd internal space 44c beyond 46b, is converted to the crude fatty acid alkyl ester 4, and is discharged | emitted from the secondary reactor 40. FIG. At this time, the mixture 3a of water and alcohol generated during the reaction is discharged to the upper portion of the secondary reactor 40. In each of the inner spaces 44a, 44b, 44c of the primary reactor 30 and the secondary reactor 40, agitators 38 and 48 for stirring the reactants may be mounted.

도 4에 도시된 에스테르화 반응기는, 전체 지방산의 80 내지 90%를 지방산알킬에스테르로 전환시키는 1차 반응기(30) 및 상기 1차 반응기(30)에서 전환되지 않은 나머지 지방산을 지방산알킬에스테르로 전환하는 2차 반응기(50)를 포함한다. 상기 1차 반응기(30)는 도 3에서 설명한 것과 동일한 구조를 가진다. 상기 2차 반응기(50)는 반응기 본체(52)와 상기 본체(52) 내부를 2이상의 내부 공간(54a, 54b, 54c)으로 분할하는 격벽(56a, 56b)을 포함한다. 상기 2차 반응기(50)의 내부 공간(54a, 54b, 54c)들은 상하 방향으로 적층되는 형태로 배열되며, 상기 격벽(56a, 56b)은 상기 내부 공간(54a, 54b)의 하부면을 구성한다. 즉, 제1 내부공간(54a)과 제2 내부공간(54b)은 제1 격벽(56a)에 의하여 상하로 분할 된다. 상기 제1 격벽(56a)에는, 액체 유로(62) 및 기체 유로(64)가 설치된다. 상기 액체 유로(62)의 일단은 제1 내부공간(54a)에 위치하는 반응액의 상부면에 상응하는 높이에 위치하고, 타단은 상기 제1 격벽(56a)을 관통하여, 제2 내부공간(54b) 내부 반응액의 상부면 보다 높은 곳에 위치한다. 상기 기체 유로(64)의 일단은 상기 제1 내부공간(54a)에 위치하는 반응액의 상부면 보다 높은 위치에 위치하고, 타단은 상기 격벽(56a)을 관통하여, 제2 내부공간(54b)에 위치하는 반응액의 상부면 보다 높은 곳 에 위치한다. 상기 액체 유로(62) 및 기체 유로(64)는 위와 동일한 방식으로 각각의 격벽(56a, 56b)에 설치된다. 이와 같이 상기 격벽(56a, 56b)에 설치된 액체 유로(62) 및 기체 유로(64)를 통하여, 인접하는 내부 공간(54a, 54b, 54c)이 연결되어 있으므로, 어느 하나, 예를 들면 제1 내부공간(54a)로 유입된 1차 반응의 생성물(4a)과 알코올(2)은 제1 내부공간(54a)에서 충분히 반응된 후, 1차 반응의 생성물(4a)의 유입량이 증가함에 따라, 상기 액체 유로(62)를 통하여 오버플로우하여, 제2 내부공간(54b)으로 유입되고, 다시 제2 내부공간(45b)에서 알코올(2)과 반응된 후, 제2 격벽(56b)에 설치된 액체 유로(62)를 통하여 오버플로우하여 제3 내부공간(54c)에서 반응하여, 조(crude) 지방산알킬에스테르(4)로 전환된 다음, 2차 반응기(50)으로부터 유출된다. 이때, 각각의 내부 공간(54a, 54b)에서, 반응 중 생성된 물과 알코올의 혼합물(3a)은, 기체 유로(64)를 통하여 상부의 내부 공간(54b, 54a)으로 순차 이동하며, 최상부 내부공간(54a)를 통하여, 2차 반응기(50) 상부로 배출된다.The esterification reactor shown in FIG. 4 converts 80 to 90% of all fatty acids into fatty acid alkyl esters and the remaining fatty acids not converted in the primary reactor 30 to fatty acid alkyl esters. It includes a secondary reactor (50). The primary reactor 30 has the same structure as described in FIG. The secondary reactor 50 includes a reactor body 52 and partition walls 56a and 56b that divide the inside of the body 52 into two or more internal spaces 54a, 54b, and 54c. The inner spaces 54a, 54b and 54c of the secondary reactor 50 are arranged in a vertically stacked manner, and the partition walls 56a and 56b constitute lower surfaces of the inner spaces 54a and 54b. . That is, the first inner space 54a and the second inner space 54b are divided up and down by the first partition wall 56a. The liquid flow path 62 and the gas flow path 64 are provided in the first partition wall 56a. One end of the liquid flow path 62 is located at a height corresponding to the upper surface of the reaction liquid located in the first internal space 54a, and the other end penetrates through the first partition wall 56a and the second internal space 54b. ) It is located higher than the upper surface of the internal reaction solution. One end of the gas flow path 64 is located at a position higher than an upper surface of the reaction liquid located in the first internal space 54a, and the other end penetrates through the partition wall 56a and enters the second internal space 54b. It is located higher than the upper surface of the reaction solution. The liquid flow path 62 and the gas flow path 64 are installed in each of the partition walls 56a and 56b in the same manner as above. In this way, the adjacent inner spaces 54a, 54b, and 54c are connected through the liquid flow path 62 and the gas flow path 64 provided in the partition walls 56a and 56b. After the first reaction product 4a and the alcohol 2 introduced into the space 54a are sufficiently reacted in the first internal space 54a, as the inflow amount of the product 4a of the first reaction increases, The liquid flow path overflows through the liquid flow path 62, flows into the second internal space 54b, reacts with the alcohol 2 in the second internal space 45b, and is then installed in the second partition wall 56b. It overflows through (62) and reacts in the third internal space (54c), is converted into a crude fatty acid alkyl ester (4), and then flows out of the secondary reactor (50). At this time, in each of the interior spaces 54a and 54b, the mixture 3a of water and alcohol generated during the reaction is sequentially moved to the upper interior spaces 54b and 54a through the gas flow path 64, and the top interior Through the space 54a, it is discharged to the upper part of the secondary reactor 50.

이와 같이, 1차 반응기(30)에서 전체 지방산의 80 내지 90%를 지방산알킬에스테르로 전환시킨 다음, 2차 반응기(40, 50)의 내부공간을 순차적으로 통과시키면서, 지방산의 지방산알킬에스테르로의 나머지 전환 반응을 수행함으로써, 반응 체류시간을 증가시키고, 지방산의 지방산알킬에스테르로의 전환반응 효율(전환율)을 향상시킬 수 있다.As such, 80 to 90% of all fatty acids are converted to fatty acid alkyl esters in the primary reactor 30, and then the fatty acids are converted into fatty acid alkyl esters while sequentially passing through the inner spaces of the secondary reactors 40 and 50. By carrying out the remaining conversion reaction, the reaction residence time can be increased, and the conversion reaction efficiency (conversion rate) of fatty acids to fatty acid alkyl esters can be improved.

본 발명의 에스테르화 반응에서 얻어진 조(crude) 지방산알킬에스테르(4)는 대부분 지방산알킬에스테르로 이루어져 있으나, 공업적 또는 바이오디젤 연료로 사용하기 위해서는 상대적으로 저분자량 및 고분자량의 지방산알킬에스테르, 잔류물(residue) 등을 제거하여야 한다. 특히 지방산메틸에스테르의 경우 바이오디젤의 품질기준을 충족시키기 위해서는, 지방족 부분의 탄소수가 14개 미만이거나 24개를 초과하는 지방산알킬에스테르, 기타 저분자량의 불순물은 제거되어야 한다. 이에 따라, 본 발명은 두 단계의 증류공정을 통하여 정제를 수행한다. 다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 1차 정제부(20)에서는, 0.1 내지 150 torr, 바람직하게는 0.1 내지 40 torr의 진공 하에서 증류탑의 하부온도를 150 내지 250℃, 바람직하게는 180 내지 220℃로 유지하여, 유입물에 대하여 1 내지 10중량%, 바람직하게는 2 내지 5중량%를 증류탑 상부로 제거한다. 상기 증류탑 상부로 제거되는 분량이, 유입물(feed)에 대하여 1중량% 미만이면 저비점 불순물이 충분히 제거되지 않을 우려가 있고, 유입물에 대하여 10중량%를 초과하면 수율이 저하될 우려가 있다. 여기서, 증류탑 상부로 제거되는 저비점 불순물은 대부분이 저분자량의 지방산알킬에스테르이므로, 별도의 추가공정을 거치치 않고, 곧바로 보일러 등의 연료로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 2차 정제부(30)에서는, 0.1 내지 150 torr, 바람직하게는 0.1 torr 내지 40 torr의 진공 하에서, 증류탑의 하부온도를 200 내지 300℃, 특히 220 내지 280℃로 유지하여, 원료인 지방산의 조성에 따라서 달라질 수 있으나, 증류탑 하부로는 유입물에 대하여 1 내지 25중량%의 불순물을 잔류시켜 제거하고, 증류탑 상부로는 정제된 고순도의 지방산알킬에스테르를 얻는다. 상기 증류탑 하부에 잔류되는 불순물이, 유입물에 대하여 1중량% 미만이면, 고순도의 지방산알킬에스테르를 얻을 수 없을 우려가 있고, 유입물에 대하여 25중량%를 초과하면 수율이 저하될 우려가 있다. 상기 잔류 불순물은 조성의 대부분이 탄소수 24개를 초과하는 지방산알킬에스테르이므로, 보일러 등의 연료로 사용될 수 있다. 상기 방법으로 정제된 지방산알킬에스테르, 특히 지방산메틸에스테르는 바이오디젤에 대한 국내, 미국, 유럽 등 주요 국가의 모든 품질기준을 만족하므로 곧바로 바이오디젤유로 사용될 수 있다.Crude fatty acid alkyl esters (4) obtained in the esterification reaction of the present invention mostly consist of fatty acid alkyl esters, but relatively low molecular weight and high molecular weight fatty acid alkyl esters for use as industrial or biodiesel fuels, remainder Residue, etc. must be removed. Particularly in the case of fatty acid methyl esters, in order to meet the quality standards of biodiesel, fatty acid alkyl esters having less than 14 or more than 24 carbon atoms in aliphatic parts and other low molecular weight impurities should be removed. Accordingly, the present invention performs purification through a two-step distillation process. Referring back to Figure 1, in the first purification unit 20 according to the present invention, the bottom temperature of the distillation column under a vacuum of 0.1 to 150 torr, preferably 0.1 to 40 torr 150 to 250 ℃, preferably 180 to Maintained at 220 ° C., 1-10% by weight, preferably 2-5% by weight, of the influent is removed from the top of the distillation column. If the amount removed to the top of the distillation column is less than 1% by weight relative to the feed (feed) there is a fear that the low boiling point impurities may not be sufficiently removed, if the amount exceeds 10% by weight relative to the inflow may be a yield lowered. Here, since most of the low boiling point impurities removed to the top of the distillation column are fatty acid alkyl esters of low molecular weight, they may be directly used as fuels such as boilers without undergoing an additional process. In the secondary refining unit 30 according to the present invention, the lower temperature of the distillation column is maintained at 200 to 300 ° C., especially 220 to 280 ° C. under a vacuum of 0.1 to 150 torr, preferably 0.1 torr to 40 torr, Depending on the composition of the fatty acid of the phosphorus, it may be removed by removing 1 to 25% by weight of impurities in the bottom of the distillation column in the bottom of the distillation column, purified fatty acid alkyl ester of purified high purity in the top of the distillation column. If the impurities remaining in the lower part of the distillation column is less than 1 wt% with respect to the influent, there is a fear that a high-purity fatty acid alkyl ester cannot be obtained, and if it exceeds 25 wt% with respect to the influent, the yield may be lowered. Since the residual impurities are fatty acid alkyl esters having more than 24 carbon atoms in most of their compositions, they can be used as fuels for boilers and the like. Fatty acid alkyl esters, particularly fatty acid methyl esters, purified by the above method satisfy all quality standards of major countries such as Korea, the United States, and Europe for biodiesel, and thus may be immediately used as biodiesel oil.

한편, 본 발명의 에스테르화 반응에서 생성된 물은, 과잉으로 투입되어 반응하지 않은 알코올과 함께 반응부(10)에서 배출되는데, 이 혼합물은 알코올 회수부(40)에서 분리되어, 물은 폐수처리장으로 이송되고, 알코올은 다시 반응부(10)로 순환되어 재사용된다. 상기 알코올 회수부(40)는 증류탑 및 이에 따른 부속설비로 이루어지며, 증류탑의 하부온도는 알코올의 비점에 따라 조절되어 알코올을 증류시킨다. 상기 증류되어 재사용되는 알코올은 0 내지 10중량%, 구체적으로 0.001 내지 10중량%의 물을 함유할 수 있다. 상기 알코올에 함유되는 물의 함량이 10중량%를 초과하면, 반응부(10)에서 에스테르화 반응속도를 저하시킬 우려가 있다. 또한, 메탄올을 사용하는 경우에는, 1대의 증류탑만을 이용하여, 충분히 순수한 메탄올을 정제시켜 반응부(10)로 순환시킬 수 있고, 에탄올 등 탄소수 2개 이상의 알코올을 사용하는 경우에는, 탑상으로 배출된 물/알코올 공비 혼합물에 대하여 탈수화 공정을 수행한 다음, 물은 제거하고 알코올은 반응부(10)로 재순환시킬 수 있다. On the other hand, the water produced in the esterification reaction of the present invention is discharged from the reaction unit 10 with the excessively unreacted alcohol, this mixture is separated from the alcohol recovery unit 40, the water is wastewater treatment plant The alcohol is circulated back to the reaction unit 10 and reused. The alcohol recovery unit 40 is composed of a distillation column and an accompanying facility, and the lower temperature of the distillation column is adjusted according to the boiling point of the alcohol to distill the alcohol. The alcohol that is distilled and reused may contain 0 to 10% by weight, specifically 0.001 to 10% by weight of water. When the content of water contained in the alcohol is more than 10% by weight, there is a fear that the reaction rate in the reaction unit 10 lowers the reaction rate. In the case of using methanol, only one distillation column can be used to purify sufficiently pure methanol to circulate to the reaction section 10, and when using two or more carbon atoms such as ethanol, the methanol is discharged to the column. After the dehydration process is performed on the water / alcohol azeotrope, the water may be removed and the alcohol may be recycled to the reaction unit 10.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The following examples are intended to illustrate the present invention more specifically, but the scope of the present invention is not limited by these examples.

[실시예 1] 지방산메틸에스테르의 제조(연속식 반응) Example 1 Preparation of Fatty Acid Methyl Ester (Continuous Reaction)

에스테르화 반응은 2단계 반응으로 진행하였으며, 도 3에 도시된 바와 같은 반응기를 사용하였다. 먼저, 1차 반응기를 온도 300℃, 압력 3 바아로 조절하고, 조 팜오일(crude palm oil)을 증류하여 얻은 지방산 디스틸레이트 1 ㎏ 및 메탄올 1 ㎏을 투입하여 2시간 동안 반응시켰다. 다음으로, 2차 반응기의 온도는 1차 반응기와 동일하게 유지하였고, 압력을 상압으로 낮추어 2시간 동안 반응시켰으며, 메탄올 2 ㎏(1차 유입량의 2배)을 3등분하여 각각의 내부 공간(44a, 44b, 44c)으로 투입하였다. 반응생성물을 1차 정제부로 이송하고 20 torr에서 하부온도를 200℃로 유지하여, 증류탑 상부로 유입량 대비 3중량%의 저비점 불순물을 증류시켜 제거하고, 정제된 생성물을 2차 정제부로 이송하였다. 2차 정제부에서는 압력 20 torr, 하부온도를 250℃로 유지하여, 유입량 대비 80중량%의 지방산메틸에스테르를 증류시켜 얻었다. 한편, 상기 반응기에서 생성된 물과 반응에 참여하지 않은 메탄올은 알코올 회수부로 이송하고, 증류를 통해 메탄올을 반응기로 회수하는 방법으로 메탄올을 순환시켜 사용하였다. 상기 반응에서 얻어진 지방산메틸에스테르의 전환율은 99.7% 였다.The esterification reaction proceeded in a two step reaction, using a reactor as shown in FIG. 3. First, the primary reactor was adjusted to a temperature of 300 ° C. and a pressure of 3 bar, and 1 kg of fatty acid distillate obtained by distilling crude palm oil and 1 kg of methanol were added and reacted for 2 hours. Next, the temperature of the secondary reactor was maintained the same as the primary reactor, the pressure was lowered to atmospheric pressure and reacted for 2 hours, and 2 kg of methanol (two times the primary inflow) were divided into three equal parts of each internal space ( 44a, 44b, 44c). The reaction product was transferred to the first purification unit, and the lower temperature was maintained at 200 ° C. at 20 torr to distill off and remove 3% by weight of low-boiling impurities relative to the inflow to the top of the distillation column, and the purified product was transferred to the second purification unit. In the secondary purification unit, a pressure of 20 torr and a lower temperature were maintained at 250 ° C. to obtain 80% by weight of fatty acid methyl ester relative to the inflow amount. Meanwhile, methanol that did not participate in the reaction with water generated in the reactor was transferred to an alcohol recovery unit, and methanol was circulated in a manner of recovering methanol to the reactor through distillation. The conversion rate of the fatty acid methyl ester obtained in the above reaction was 99.7%.

[실시예 2] 지방산메틸에스테르의 제조(회분식 반응) Example 2 Preparation of Fatty Acid Methyl Ester (Batch Reaction)

에스테르화 반응은 1단계 반응으로 진행하였으며, 회분식 반응기를 사용하였다. 먼저, 반응기에 지방산디스틸레이트 1 ㎏ 및 메탄올 0.5 ㎏을 투입한 다음, 온도 300℃, 압력 3 바아로 조절한 후, 메탄올 1 ㎏을 더 투입하여 2시간 동안 반응시켰다. 그런 다음, 압력을 상압으로 낮추어 1시간 동안 더 반응시켰으며, 이때 메탄올 유입량을 증가시켜, 메탄올 2 ㎏(1차 유입량의 2배)을 투입하였다. 반응생성물을 실시예 1에서와 동일한 방법 및 조건으로 정제하였으며, 2차 정제공정의 유입량 대비 90 중량%의 지방산메틸에스테르를 얻었다. 한편, 반응에 참여하지 않은 과잉의 메탄올은 실시예 1에서와 같은 방법으로 회수하여 재사용하고, 물은 제거하였다. 상기 반응에서 얻어진 지방산메틸에스테르의 전환율은 99.8% 였다.The esterification reaction proceeded in a one step reaction, using a batch reactor. First, 1 kg of fatty acid distilate and 0.5 kg of methanol were added to the reactor, and then, the temperature was adjusted to 300 ° C. and a pressure of 3 bar, and then 1 kg of methanol was further added to react for 2 hours. Then, the pressure was lowered to atmospheric pressure, and further reacted for 1 hour. At this time, the methanol inflow was increased, and 2 kg of methanol (two times the primary inflow) was added. The reaction product was purified in the same manner and in the same manner as in Example 1, to obtain 90% by weight of fatty acid methyl ester relative to the inflow amount of the secondary purification process. On the other hand, excess methanol not participating in the reaction was recovered and reused in the same manner as in Example 1, and water was removed. The conversion rate of fatty acid methyl ester obtained in the above reaction was 99.8%.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지방산알킬에스테르의 제조방법은 촉매의 도입 없이, 일정 고온 및 압력 조건에서, 지방산과 알코올을 반응시킨다. 따라서, 사용된 촉매를 제거하기 위해 중화, 여과, 세척 등의 공정이 필요하지 않고, 간단한 두 단계의 증류공정 만으로 고순도, 고전환율의 지방산알킬에스테르를 얻을 수 있으므로, 전체 공정이 단순화되어 공정설비 비용 및 운전비를 절감할 수 있다. 또한, 본 발명은 폐기되는 지방산디스틸레이트 또는 저렴한 지방산을 원료로 사용하므로 경제적일 뿐만 아니라, 글리세린 등 부산물을 발생시키지 않아 공급 과잉 위험이 있는 글리세린 시장환경으로부터 자유로우며, 에스테르화 반응에 참여하지 않는 과잉의 알코올을 회수하여 재사용함으로써, 알코올의 사용량을 최소화하는 장점이 있다. 이러한 본 발명에 따른 지방산알킬에스테르의 제조방법은 공업적인 규모의 장치에서 이상적인 제조가 가능할 뿐 아니라, 소규모 장치에서도 경제적인 제조방법으로서, 특히 지방산메틸에스테르를 제조할 경우에는 별도의 추가공정을 거치지 않고 곧바로 바이오디젤로 이용될 수 있다.As described above, the fatty acid alkyl ester production method according to the present invention reacts a fatty acid with an alcohol under constant high temperature and pressure conditions without introducing a catalyst. Therefore, neutralization, filtration and washing are not necessary to remove the used catalyst, and fatty acid alkyl ester of high purity and high conversion can be obtained by simple two-step distillation process. And operating cost can be reduced. In addition, the present invention is not only economical because it uses discarded fatty acid distilate or inexpensive fatty acids as raw materials, and does not generate by-products such as glycerin, which is free from the glycerine market environment that may cause oversupply and does not participate in esterification By recovering and reusing excess alcohol, there is an advantage of minimizing the amount of alcohol used. The production method of the fatty acid alkyl ester according to the present invention is not only an ideal production in an industrial scale device, but also economical production method in a small device, especially when producing a fatty acid methyl ester without additional process It can be immediately used as biodiesel.

Claims (12)

200 내지 350℃의 반응 온도 및 상압 내지 10 바아의 반응 압력에서, 지방산 원료와 알코올을 에스테르화 반응시키는 단계를 포함하는 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조방법.A method for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel, comprising the step of esterifying a fatty acid raw material and an alcohol at a reaction temperature of 200 to 350 ° C. and a reaction pressure of normal pressure to 10 bar. 제1항에 있어서, 상기 알코올과 반응되는 지방산 원료는, 식물성 조 유지(crude oil)를 가열하여, 식물성 정제 오일을 얻는 경우에, 부산물로서 발생하는 지방산 디스틸레이트인 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조방법.The fatty acid raw material for biodiesel fuel according to claim 1, wherein the fatty acid raw material reacted with the alcohol is a fatty acid distillate generated as a by-product when the vegetable crude oil is heated to obtain a vegetable refined oil. Method for producing alkyl ester. 제2항에 있어서, 상기 지방산 디스틸레이트는 지방족 부분의 탄소수가 14 내지 24개인 지방산을 65 내지 95중량% 포함하는 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조방법.The method of claim 2, wherein the fatty acid distillate comprises 65 to 95% by weight of fatty acids having 14 to 24 carbon atoms in the aliphatic moiety. 제1항에 있어서, 상기 지방산 원료와 알코올의 반응에서 생성된 조 지방산알킬에스테르를 증류탑에 투입하고, 0.1 내지 150 torr의 진공 하에서 증류탑의 하부온도를 150 내지 250℃로 유지하여, 저비점 불순물을 증류시켜 제거하는 1차 정제공정; 및 상기 1차 정제된 지방산알킬에스테르를 0.1 내지 150 torr의 진공 하에서 하부 온도가 200 내지 300℃로 유지되는 증류탑에 투입하여, 지방족 부분의 탄소수가 14 내지 24인 지방산알킬에스테르 증류시켜 얻고, 잔류물을 제거하는 2차 정제 공정을 더욱 포함하는 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조방법.The method of claim 1, wherein the crude fatty acid alkyl ester produced by the reaction of the fatty acid raw material and the alcohol is introduced into the distillation column, and the lower boiling point impurities are distilled off by maintaining the lower temperature of the distillation column at 150 to 250 ℃ under a vacuum of 0.1 to 150 torr. Primary purification step to remove; And distilling the primary purified fatty acid alkyl ester into a distillation column having a lower temperature of 200 to 300 ° C. under a vacuum of 0.1 to 150 torr, to obtain a fatty acid alkyl ester having 14 to 24 carbon atoms in the aliphatic portion, and a residue. Method for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel further comprising a secondary purification step to remove the. 제1항에 있어서, 상기 지방산 원료에 대한 알코올의 투입비는 중량비로 0.5 ~ 5배이고, 상기 에스테르화 반응의 반응온도는 250 내지 320℃이며, 반응압력은 상압 내지 5바아인 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조방법.According to claim 1, wherein the input ratio of the alcohol to the fatty acid raw material is 0.5 to 5 times by weight, the reaction temperature of the esterification reaction is 250 to 320 ℃, the reaction pressure is from normal pressure to 5 bar for biodiesel fuel Method for producing fatty acid alkyl ester. 제1항에 있어서, 상기 에스테르화 반응에서 과잉의 알코올은 생성된 물과 함께 반응기 상부로 배출되어, 반응기에 외곽에 장착된 알코올 회수부로 수집된 다음, 증류되어 반응기로 재순환되는 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조방법.The biodiesel fuel according to claim 1, wherein the excess alcohol in the esterification reaction is discharged to the upper portion of the reactor together with the generated water, collected by an alcohol recovery unit attached to the reactor, and then distilled and recycled to the reactor. Method for producing fatty acid alkyl esters. 200 내지 350℃의 반응 온도 및 상압 내지 10 바아의 반응 압력에서, 지방산 원료와 알코올을 에스테르화 반응시키되, 전체 지방산의 80 내지 90%를 지방산알킬에스테르로 전환시키는 1차 반응기; 및 At a reaction temperature of 200 to 350 ° C. and a reaction pressure of atmospheric pressure to 10 bar, a primary reactor for esterifying a fatty acid raw material and an alcohol, converting 80 to 90% of all fatty acids to fatty acid alkyl esters; And 상기 1차 반응기에서 전환되지 않은 나머지 지방산을 지방산알킬에스테르로 전환하는 2차 반응기를 포함하는 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치.Apparatus for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel comprising a secondary reactor for converting the remaining fatty acid not converted in the primary reactor to fatty acid alkyl ester. 제7항에 있어서, 상기 2차 반응기는 반응기 본체; 및 상기 반응기 본체 내부를 2이상의 내부 공간으로 분할하며, 상부가 개방되어, 반응물이 상부로 오버플로 우되는 격벽을 포함하는 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치.8. The reactor of claim 7, wherein the secondary reactor comprises: a reactor body; And dividing the inside of the reactor body into two or more internal spaces, the top of which is open, and a partition wall of which the reactant overflows to the top. 제7항에 있어서, 상기 2차 반응기는 반응기 본체; 및 상기 반응기 본체 내부를 2이상의 공간으로 분할하는 격벽을 포함하며, 상기 2차 반응기 내부의 분할된 내부 공간들은 상하 방향으로 적층되는 형태로 배열되고, 상기 격벽에는, 액체 유로 및 기체 유로가 설치되어 있는 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치.8. The reactor of claim 7, wherein the secondary reactor comprises: a reactor body; And a partition wall dividing the inside of the reactor body into two or more spaces, wherein the divided internal spaces inside the secondary reactor are arranged in a vertically stacked manner, and the partition wall is provided with a liquid flow path and a gas flow path. Apparatus for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel. 제9항에 있어서, 상기 내부 공간은 제1 내부 공간과 상기 제1 내부 공간 하부에 위치한 제2 내부 공간을 포함하고, 상기 액체 유로의 일단은 제1 내부공간에 위치하는 반응액의 상부면에 상응하는 높이에 위치하고, 타단은 상기 제1 격벽을 관통하여, 제2 내부공간 내부 반응액의 상부면 보다 높은 곳에 위치하고, 상기 기체 유로의 일단은 상기 제1 내부공간에 위치하는 반응액의 상부면 보다 높은 위치에 위치하고, 타단은 상기 격벽을 관통하여, 제2 내부공간에 위치하는 반응액의 상부면 보다 높은 곳에 위치하는 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치.The liquid crystal display of claim 9, wherein the inner space includes a first inner space and a second inner space disposed below the first inner space, and one end of the liquid flow path is formed on an upper surface of the reaction liquid located in the first inner space. Located at a corresponding height, the other end penetrates through the first partition wall, and is located higher than the upper surface of the reaction liquid inside the second internal space, and one end of the gas flow path is located on the upper surface of the reaction liquid located in the first internal space. It is located in a higher position, the other end penetrates the partition, the apparatus for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel is located higher than the upper surface of the reaction liquid located in the second internal space. 1개 이상의 반응기를 포함하며, 지방산 원료와 알코올을 반응시켜 지방산알킬에스테르를 얻기 위한 반응부;Reaction unit including at least one reactor, the fatty acid raw material and the alcohol to obtain a fatty acid alkyl ester; 상기 지방산알킬에스테르로부터 저비점 불순물을 증류시켜 제거하기 위한 1 차 정제부; 및A primary refining unit for distilling and removing low boiling point impurities from the fatty acid alkyl esters; And 상기 1차 정제된 지방산알킬에스테르를 증류시켜 얻고, 잔류물을 제거하기 위한 2차 정제부를 포함하며, It is obtained by distilling the primary purified fatty acid alkyl ester, and comprises a secondary purification unit for removing the residue, 상기 반응부의 상부에는, 과잉의 알코올을 재순환하고, 상기 반응부에서 생성된 물을 제거하기 위한 알코올 회수부가 연결되어 있는 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치.An apparatus for producing a fatty acid alkyl ester for biodiesel fuel, wherein an alcohol recovery unit for recycling excess alcohol and recycling water generated in the reaction unit is connected to an upper portion of the reaction unit. 제11항에 있어서, 상기 반응기는 교반기가 부착된 연속교반탱크반응기 또는 배플이 부착된 관형반응기인 것인 바이오디젤 연료용 지방산알킬에스테르의 제조장치.12. The apparatus of claim 11, wherein the reactor is a continuous stirring tank reactor with a stirrer or a tubular reactor with a baffle.
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