KR20080062636A - Production method of biodiesel using supercritical alcohol - Google Patents

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KR20080062636A
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fatty acid
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이윤우
송은석
이홍식
여운기
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주식회사 엘지생활건강
재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

A manufacturing method of bio-diesel using supercritical alcohol is provided to maximize the effects of mixing the supercritical alcohol and oil and fat to increase the yield of the bio-diesel. A manufacturing method of fatty alkyl ester uses a continuous reactor in a method of manufacturing fatty alkyl ester and glycerol by reacting supercritical alcohol and oil and fat without using a catalyst. The continuous reactor is filled with packing that is able to form turbulent flow inside. The packings are knit meshes, beads, rings or berl saddles. The oil and fat and the alcohol are reacted in a molar ratio of 1:10 to 1:35. The reaction is performed at 250-350deg.C and at a pressure of 30-50MPa for 1-60 minutes. The alcohol is one or more selected from a group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol and pentaploid.

Description

초임계 알코올을 사용한 바이오디젤의 제조방법{Production method of biodiesel using supercritical alcohol}Production method of biodiesel using supercritical alcohol

도 1은 본 발명의 제조방법에 사용되는 제조 장치의 일 예를 나타내는 구조도이다.1 is a structural diagram showing an example of a manufacturing apparatus used in the manufacturing method of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1: 유지저장조(Oil storage tank)1: Oil storage tank

2: 알코올저장조(Alcohol storage tank)2: alcohol storage tank

3: 고압 펌프(High pressure pump)3: high pressure pump

4: 예열기(Preheaters)4: Preheaters

5: 반응기(Reactor)5: Reactor

6: 주가열기(Main heater)6: Main heater

7: 냉각기(Cooler)7: Cooler

8: 역압조정기(Back pressure regulator)8: Back pressure regulator

9: 유출액 수집용기(Effluent collecting vessel)9: Effluent collecting vessel

PG: 압력계(Pressure gauge)PG: Pressure gauge

도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 지방산 메틸에스테르의 함량을 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the content of fatty acid methyl ester prepared according to one embodiment and comparative example of the present invention.

도 3은 초임계 알코올을 이용한 바이오디젤의 제조에 있어 반응기의 부피에 따른 영향을 보여주는 그래프이다.3 is a graph showing the effect of the volume of the reactor in the production of biodiesel using a supercritical alcohol.

도 4는 초임계 알코올을 이용한 바이오디젤의 제조에 있어 펌프 유량의 증가에 따른 영향을 보여주는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the effect of increasing the pump flow rate in the production of biodiesel using supercritical alcohol.

본 발명은 촉매를 사용하지 않고 트리글리세라이드와 초임계 알코올을 에스테르교환반응시켜 지방산 알킬에스테르, 즉 바이오디젤을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 트리글리세라이드와 알코올의 혼합을 극대화함으로써 에스테르교환반응을 촉진하고 이를 통해 알코올의 사용량을 줄이면서도 바이오디젤의 수율은 높일 수 있는 지방산 알킬에스테르의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing fatty acid alkyl esters, that is, biodiesel by transesterifying triglycerides and supercritical alcohols without using a catalyst, and more particularly, transesterification reactions by maximizing the mixing of triglycerides and alcohols. The present invention relates to a method for producing a fatty acid alkyl ester which can increase the yield of biodiesel while reducing the amount of alcohol used.

바이오디젤이란 동물성 또는 식물성 유지를 알코올과 반응시켜 생성된 물질로써 석유에서 얻어지는 디젤유와 특성이 거의 같아 디젤엔진에 대한 대체연료로 사용량이 증가하는 추세에 있다. 바이오디젤은 석유에서 나오는 디젤과 구별하여 일명 식물성 디젤이라고 불리며, 기존의 석유 디젤에 비하여 대기오염 발생을 현저히 감소시키는 효과가 있다고 알려져 있다.Biodiesel is a material produced by reacting animal or vegetable fats with alcohol and has almost the same characteristics as diesel oil obtained from petroleum. Therefore, the amount of biodiesel is increasing as an alternative fuel for diesel engines. Biodiesel is called vegetable diesel, which is distinguished from diesel from petroleum, and it is known to have an effect of significantly reducing air pollution generation compared to conventional petroleum diesel.

현재 세계적으로 생산되고 있는 바이오디젤은 메탄올을 원료로 하여 제조하는 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester)로 미국 특허 제5,514,820호 또는 대한민국 특허 제10-0566106호와 같이 원료인 유지와 알코올에 알칼리 또는 산 촉매를 혼합하여 수 시간 동안 반응시키는 공정을 사용하고 있다.Biodiesel currently produced worldwide is a fatty acid methyl ester produced using methanol as a raw material, such as U.S. Patent No. 5,514,820 or Korean Patent No. 10-0566106. The process of mixing the catalyst and reacting for several hours is used.

알칼리 촉매 공정의 경우에는 원료로 사용되는 유지에 물 또는 유리지방산(free fatty acid)이 포함되어 있을 경우 촉매로 사용되는 알칼리 화합물이 비누화 반응(saponification)을 일으켜 생성된 비누화 물질로 인하여 바이오디젤의 점도가 증가되고 글리세롤의 분리가 어려워질 뿐만 아니라, 촉매 자체가 소모되는 문제점을 갖고 있다. 이를 위하여 알칼리를 과량으로 첨가하거나 강산을 촉매로 사용하여 유리지방산을 지방산 메틸에스테르로 전환시키는 전처리 과정이 사용되고 있으나 생성된 비누나 폐수를 제거하는 과정 역시 추가로 필요하며 유지의 품질이 공정에 미치는 영향이 큰 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산 촉매공정이 개발되었으나 알코올 사용량이 많고 반응시간이 알칼리 촉매 공정에 비하여 수 배 이상으로 길어지는 문제점을 갖고 있다.In the case of the alkaline catalyst process, if the oil used as a raw material contains water or free fatty acid, the viscosity of the biodiesel is due to the saponification substance generated by the saponification of the alkali compound used as the catalyst. Is not only increased and the separation of glycerol becomes difficult, but also the catalyst itself is consumed. To this end, a pretreatment process is used to convert free fatty acids to fatty acid methyl esters by adding an excess of alkali or using a strong acid as a catalyst. However, the process of removing the generated soap or wastewater is also required. There is this big problem. In order to solve this problem, an acid catalyst process has been developed, but has a problem that the amount of alcohol is used and the reaction time is several times longer than that of the alkali catalyst process.

한편, 대한민국 공개특허 제10-2006-0108327호의 경우에는 단백질융합인자 단백질을 이용하여 생산한 리파제를 촉매로 이용하여 유지와 알코올로부터 생물학적으로 바이오디젤을 생산하는 방법을 소개하고 있는 등 다양한 공정이 연구되고 있다.Meanwhile, in the case of Republic of Korea Patent Publication No. 10-2006-0108327, various processes are studied, including a method of producing biodiesel biologically from fats and oils using a lipase produced using a protein fusion factor protein as a catalyst. It is becoming.

또한 일본공개특허 제2000-109883호는 유지류와 알코올의 에스테르 교환 반응에 있어 알코올을 초임계 상태가 되는 조건 하에 금속 알칼리 촉매 및 산 촉매 어느 쪽도 이용하지 않고 반응을 시켜 지방산 알킬에스테르를 제조하는 연속식 공정을 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허 내용은 초임계 상태의 알코올을 사용하기는 하나 에스테르교환반응에 있어 3-15 MPa의 상대적으로 낮은 압력 조건을 사용하 여 트리글리세라이드의 전화율 또는 지방산 메틸에스테르의 수율이 낮아지는 단점이 있다.In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-109883 discloses a continuous process for producing fatty acid alkyl esters by reacting an alcohol without using either a metal alkali catalyst or an acid catalyst under conditions in which the alcohol is in a supercritical state. The food process is started. However, the above patent uses a supercritical alcohol, but the disadvantage of lowering the conversion rate of triglyceride or the yield of fatty acid methyl ester using a relatively low pressure of 3-15 MPa in the transesterification reaction. have.

이와 관련하여 일본공개특허 제2000-204392호는 초임계 또는 아임계 상태의 알코올을 용매로 사용하여 에스테르교환반응 또는 탈수반응과 에스테르반응에 의하여 바이오디젤을 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 무촉매 또는 2% 이하의 알칼리 촉매를 사용하여 바이오디젤을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 알칼리 촉매를 사용하는 경우에는 메탄올의 사용량은 감소시킬 수 있을 것이나 기존 공정과 마찬가지로 반응 완결 후 생성물로부터 알칼리 촉매를 분리해야 하는 문제가 발생하기 때문에 고온, 고압 공정인 초임계 공정의 경우에 경제성이 낮아지는 단점이 있다. 또한 특허 내용과 관련된 Saka 및 Kusadina의 연구 결과(Fuel, 80, pp.225-231, 2001)에 따르면 회분식(batch) 반응기를 사용하여 350℃, 45 MPa 이상의 고온, 고압 조건에서 유채유 트리글리세라이드와 메탄올의 몰비를 1:42로 반응시켜 촉매를 사용하지 않고 바이오디젤을 제조하였다. 그러나 바이오디젤의 수율을 증가시키기 위하여 메탄올의 몰비를 증가시킴에 따라 미반응된 메탄올의 증발 과정에 투입되는 에너지 소모비용이 증가하여 경제성을 확보하기 어려운 문제가 있다.In this regard, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-204392 discloses a method for preparing biodiesel by transesterification or dehydration and ester reaction using an alcohol in a supercritical or subcritical state as a solvent. A method for producing biodiesel using up to 2% alkali catalyst is disclosed. However, in the case of using an alkali catalyst, the amount of methanol can be reduced. However, as in the conventional process, the problem of having to separate the alkali catalyst from the product after completion of the reaction occurs, which is economical in the case of the supercritical process, which is a high temperature and high pressure process. This has the disadvantage of being lowered. According to Saka and Kusadina's findings ( Fuel , 80 , pp.225-231, 2001 ) related to the patent content, rapeseed oil triglycerides and methanol at high temperature and high pressure conditions of 350 ° C, 45 MPa or more, using a batch reactor The molar ratio of was 1:42 to prepare biodiesel without using a catalyst. However, as the molar ratio of methanol is increased to increase the yield of biodiesel, there is a problem in that it is difficult to secure economic feasibility due to an increase in energy consumption cost input to the evaporation process of unreacted methanol.

한편, 미국 공개특허공보 제2006/0025620호에는 초임계 공정의 문제점인 메탄올의 사용량을 감소시키기 위한 방편으로 물에 의한 가수분해 반응을 통하여 유지의 트리글리세라이드를 지방산(fatty acid)과 글리세롤으로 전환하는 1차 반응과 얻어진 지방산과 메탄올과 반응시키는 에스테르화(esterification) 반응의 2단계 공정 또는 트리글리세라이드의 에스테르화 교환반응에 있어 물을 투입하여 산성 촉 매로 이용하는 공정을 기술하고 있다. 2단계 공정의 경우 1차 반응에서 생성된 지방산의 에스테르화 반응이 트리글리세라이드의 에스테르 교환 반응에 비하여 반응속도가 빠르기 때문에 상대적으로 낮은 온도와 압력 조건에서도 반응이 진행되나 실제로는 1단계의 가수분해 반응에 필요한 반응 시간이나 2단계 반응 이전에 생성된 글리세롤을 분리시키는 문제와 같이 장치와 에너지 비용의 증가에 대한 고려가 없는 문제가 있다. 또한 물의 첨가 효과에 대한 동일 저자들의 관련 문헌(Kusadina and Saka: Biores . Technol ., 91, pp.289-295, 2004)을 살펴보면 물의 함량에 따라 FAME 함량이 감소하는 것으로 보아 산성 촉매로서 작용을 한다는 상기 특허 내용과 배치되는 결과를 보이고 있으며 메탄올 사용량을 감소시킬 수 있다는 결과는 상기 특허의 실시예와 관련문헌으로부터 발견되지 않는 문제점을 갖고 있다.On the other hand, U.S. Patent Application Publication No. 2006/0025620 discloses a method for converting triglycerides of fats and oils into fatty acids and glycerol through a hydrolysis reaction with water as a means to reduce the amount of methanol, which is a problem of the supercritical process. It describes the two-step process of the first reaction and the esterification reaction of reacting the obtained fatty acid with methanol, or the process of using water as an acid catalyst in the transesterification reaction of triglycerides. In the two-step process, the esterification reaction of fatty acids produced in the first reaction is faster than the transesterification reaction of triglyceride, so the reaction proceeds even at relatively low temperature and pressure conditions. There is a problem in that there is no consideration of an increase in the device and energy costs, such as the reaction time required for the reaction or the separation of glycerol produced before the two-stage reaction. Also, the related authors (Kusadina and Saka: Biores . Technol . , 91 , pp.289-295, 2004 ) on the effect of water addition showed that the FAME content decreased with the water content, acting as an acidic catalyst. The results that are inconsistent with the contents of the patent, and the result that can reduce the amount of methanol used has a problem that is not found from the examples of the patent and related documents.

또 일본 스미토모화학공업주식회사에 의하여 출원된 일본공개특허 제2001-226694호, 제2001-302584호 및 제2003-055299호는 초임계 상태의 알코올에 유지를 반응시켜 바이오디젤을 제조하는 방법에 대한 내용으로 수산화나트륨을 촉매로서 이용하는 일 없이 각각 니켈 함유 고체 촉매, 고체 염기 촉매, 그리고 산화 망간 및 산화 몰리브덴을 촉매로 사용하여 바이오디젤을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 스미토모화학에 의한 특허들은 모두 고체 촉매를 사용하는 특징이 있으며, 회분식 반응기를 이용한 실험 결과들을 제시하고 있다. 위에서 언급한 바와 마찬가지로 촉매를 사용하는 경우에는 생성물로부터 촉매를 분리하는 공정과 더불어 촉매를 투입하는 공정이 추가로 필요하므로 기존의 알칼리 촉매를 사용하는 공정과 비교하여 경제성을 확보하기 어려워지는 문제점이 있다.In addition, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-226694, 2001-302584, and 2003-055299, filed by Sumitomo Chemical Co., Ltd., disclose a method for producing biodiesel by reacting fats with alcohol in a supercritical state. The present invention discloses a method for producing biodiesel using a nickel-containing solid catalyst, a solid base catalyst, and manganese oxide and molybdenum oxide as catalysts, respectively, without using sodium hydroxide as a catalyst. The patents by Sumitomo Chemical all characterize the use of solid catalysts and present experimental results using a batch reactor. As mentioned above, when a catalyst is used, a process of adding a catalyst as well as a process of separating the catalyst from a product is required, which makes it difficult to secure economical efficiency compared to a process using an alkali catalyst. .

한편, 미국특허 제5,514,820호의 내용은 알코올과 유지의 반응속도를 향상시키기 위하여 알코올과 유지 그리고 알칼리 촉매 혼합물의 흐름을 난류흐름(turbulent flow)으로 유지하도록 레이놀즈수가 4,000 또는 10,000 이상이 되도록 관형 반응기의 길이를 증가시키는 동시에 펌프 용량을 증가시켜야 하므로 장치비용 및 운전비용의 증가를 의미하게 되고, 따라서 바이오디젤 생산 단가를 증가시키는 단점이 있다. On the other hand, U.S. Pat. Since the pump capacity must be increased at the same time, it means an increase in the device cost and operating cost, and thus has the disadvantage of increasing the biodiesel production cost.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초임계 알코올과 유지의 혼합 효과를 극대화하여 바이오디젤 수율을 증가시키는 동시에 알코올 사용량을 감소시킬 수 있는 경제적인 지방산 알킬에스테르의 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing an economical fatty acid alkyl ester which can increase the biodiesel yield by reducing the amount of alcohol while maximizing the mixing effect of supercritical alcohol and fats and oils.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 촉매를 사용하지 않고 초임계 알코올과 유지를 반응시켜 지방산 알킬에스테르와 글리세롤을 제조하는 방법에 있어서, 내부에 난류 흐름(turbulent flow)을 형성할 수 있는 충전물(packing), 바람직하게는 편물 망(knit mesh), 구슬(bead), 고리(ring) 또는 버얼쌔들(berl saddle)로 충전된 연속식 반응기를 사용하는 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention in the method for producing fatty acid alkyl ester and glycerol by reacting supercritical alcohol and fats and oils without using a catalyst, a filler capable of forming a turbulent flow therein Process for preparing fatty acid alkyl esters, characterized in that using a continuous reactor packed with a packing, preferably a knit mesh, beads, rings or a sadl saddle To provide.

보다 바람직하게, 본 발명은 상기 제조방법에 있어 유지와 알코올이 1:10 내지 1:35의 몰비로 반응되는 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법을 제공한다.More preferably, the present invention provides a method for producing a fatty acid alkyl ester, wherein the fat and oil and the alcohol are reacted in a molar ratio of 1:10 to 1:35.

보다 바람직하게, 본 발명은 상기 제조방법이 온도 250-350℃, 압력 30-50 MPa의 조건으로 1-60분 동안 반응시키는 것임을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법을 제공한다.More preferably, the present invention provides a method for producing a fatty acid alkyl ester, characterized in that the reaction for 1-60 minutes under the conditions of temperature 250-350 ℃, pressure 30-50 MPa.

이하, 본 발명에 따른 초임계 알코올을 이용한 지방산 알킬에스테르의 제조방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method for preparing a fatty acid alkyl ester using the supercritical alcohol according to the present invention will be described in more detail.

본 발명에서는 유지 및 알코올을 반응물로 하고, 알코올이 초임계 상태에 도달하는 온도 및 압력 조건에서, 촉매를 사용하지 않고 에스테르교환반응시켜 바이오디젤을 제조함에 있어, 연속식 흐름 반응기 내부에 난류 상태의 흐름을 유도하는 충전물을 충전하여 유지와 알코올 간의 혼합 효과를 증가시켜, 에스테르교환반응을 촉진시킴으로써 적은 알코올 사용량으로도 바이오디젤을 높은 수율로 제조할 수 있다.In the present invention, in the production of biodiesel by transesterification without using a catalyst at a temperature and pressure conditions in which the fat and alcohol are reactants and the alcohol reaches a supercritical state, a turbulent state inside the continuous flow reactor By filling the flow-inducing filler to increase the mixing effect between the fats and oils and promoting the transesterification reaction, biodiesel can be produced in high yield with low alcohol usage.

유지와 알코올이 초임계 상태 또는 촉매 존재 하에서 반응하면 하기의 반응식과 같이 지방산 알킬에스테르인 바이오디젤과 글리세롤이 생성된다.When fats and oils react in a supercritical state or in the presence of a catalyst, biodiesel and glycerol, which are fatty acid alkyl esters, are produced as shown in the following scheme.

Figure 112006098491382-PAT00001
Figure 112006098491382-PAT00001

상기 반응식에서, R1, R2 및 R3는 탄소수가 C12-C24인 알킬기이며, R' 역시 알킬기로서 탄소수 C1-C5 정도의 저급 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.In the above scheme, R 1 , R 2 and R 3 is an alkyl group having C 12 -C 24 carbon atoms, and R 'is preferably an alkyl group having a lower alcohol having about C 1 -C 5 carbon atoms.

상기 반응식에 나타나는 바와 같이, 유지와 알코올 간의 에스테르 교환반응 은 가역반응이므로 생성물의 수율을 증대시키기 위해서는 반응물의 농도를 증가시켜야 하는데 생성물로부터 미반응물의 회수를 고려할 때 유지보다 알코올이 보다 용이하므로 알코올의 농도를 증가시켜 지방산 알킬에스테르의 생성을 촉진하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 방법은 필연적으로 원료인 알코올의 사용량이 많아져 제조비용을 증가시키는 단점이 있다.As shown in the above scheme, the transesterification reaction between fats and oils is a reversible reaction, so in order to increase the yield of the product, the concentration of the reactants must be increased. It is desirable to increase the concentration to promote the production of fatty acid alkyl esters. However, this method inevitably increases the amount of alcohol used as a raw material, which increases the manufacturing cost.

본 발명에서 사용되는 초임계 상태의 알코올은 통상적인 알코올과는 달리 유전상수가 감소하여 비극성 용매의 특성을 갖게 됨에 따라, 반응물 중 하나인 유지와의 혼합이 용이해지고, 이온곱(ion product)이 증가함에 따라 알코올첨가분해 반응(alcoholysis)이나 에스테르 교환반응과 같은 이온성 반응이 잘 일어나게 되어 촉매가 없이도 바이오디젤의 제조가 가능해지는 것으로 생각된다.Unlike the conventional alcohol, the supercritical alcohol used in the present invention has a dielectric constant that is reduced to have the characteristics of a nonpolar solvent, so that it is easy to mix with one of the reactants, fats and oils, and an ion product is obtained. As it increases, ionic reactions such as alcohololysis or transesterification occur well, and it is thought that biodiesel can be produced without a catalyst.

알코올의 초임계 상태란 반응기 내의 온도 및 압력이 각각 알코올의 임계온도 및 임계압력 이상에 도달한 상태를 말한다. 예를 들어, 탄소수 1인 메탄올을 바이오디젤 제조 공정의 원료로 사용할 경우, 메탄올은 239.4 ℃, 8.09 MPa의 임계점을 가지므로 반응기 내의 온도가 240 ℃, 압력이 8.1 MPa 이상인 상태를 의미한다.The supercritical state of alcohol refers to a state in which the temperature and pressure in the reactor reach or exceed the critical temperature and the critical pressure of the alcohol, respectively. For example, when methanol having 1 carbon atoms is used as a raw material for the biodiesel manufacturing process, methanol has a critical point of 239.4 ° C. and 8.09 MPa, which means that the temperature in the reactor is 240 ° C. and the pressure is 8.1 MPa or more.

따라서 본 발명의 제조방법에 있어 초임계 상태의 알코올을 생성하기 위하여 240-600℃, 8.1-100 MPa의 범위에서 온도 및 압력을 적절하게 조절하는 것이 좋다. 다만, 350℃ 이상의 경우 유지의 주요성분인 트리글리세라이드와 지방산 알킬에스테르의 열분해 반응이 에스테르교환반응과 경쟁적으로 일어나기 때문에 바이오디젤 수율이 감소하고, 온도가 너무 낮아지면 반응속도가 감소하기 때문에 반응기의 크기가 증가되어 경제성이 낮아지는 단점이 있다. 또한 압력의 경우 높아질수록 수율 은 증대하나 50 MPa 이상으로 증가하면 수율이나 반응속도의 증가폭이 뚜렷이 감소하는 경향을 보이므로, 경제성이 감소한다. 따라서, 보다 바람직한 반응 조건은 온도 250-350℃, 압력 30-50 MPa의 범위이다. 반응시간의 경우 온도 조건에 따라 1초에서 2시간의 범위로부터 선택할 수 있으나, 경제성을 고려하여 보다 바람직한 반응시간 1-60분의 범위이다.Therefore, in the production method of the present invention, in order to produce a supercritical alcohol, it is preferable to appropriately control the temperature and pressure in the range of 240-600 ° C and 8.1-100 MPa. However, in case of 350 ℃ or higher, the biodegradation yield of triglyceride and fatty acid alkyl ester, which are the main components of fats and oils, occurs competitively with the transesterification reaction, and the biodiesel yield is decreased. There is a disadvantage that the economic efficiency is lowered. In addition, as the pressure increases, the yield increases, but when the pressure increases to 50 MPa or more, the increase in yield or reaction rate tends to be markedly reduced, thereby reducing economic efficiency. Therefore, more preferable reaction conditions are the range of temperature 250-350 degreeC and pressure 30-50 MPa. The reaction time may be selected from the range of 1 second to 2 hours depending on the temperature conditions, but in consideration of economical efficiency, the reaction time is in the range of 1-60 minutes.

본 발명의 바이오디젤 제조에 있어 회분식 공정 및 연속식 공정을 사용할 수 있으며 생산성이 우수하고 반응 조건 유지가 용이한 연속식 공정이 바람직하다. 연속식 공정의 반응기로는 관형반응기(tubular reactor)와 연속교반탱크 반응기(continuous stirred tank reactor)의 사용이 가능하며, 고순도의 바이오디젤을 높은 반응수율로 제조하기 위해서는 관형반응기가 좀 더 바람직하다.In the biodiesel preparation of the present invention, a batch process and a continuous process may be used, and a continuous process having excellent productivity and easy maintenance of reaction conditions is preferable. As a reactor of a continuous process, a tubular reactor and a continuous stirred tank reactor can be used, and a tubular reactor is more preferable for producing high purity biodiesel with high reaction yield.

본 발명의 바이오디젤 제조에 있어 반응물인 유지와 알코올 간의 혼합 효과를 높이기 위하여 관형반응기 내부 반응물의 흐름을 난류 영역으로 유지하는 것이 바람직하다. 그러나 난류 흐름을 유지하면서 반응 완결에 필요한 크기의 반응기를 제작하려면 관형반응기의 지름은 감소시키고 길이를 증가시켜야 하므로 장치비용이 증가하여 경제성이 낮아지는 문제가 있다.In the preparation of the biodiesel of the present invention, it is preferable to maintain the flow of the reactant in the tubular reactor in the turbulent region in order to increase the mixing effect between the fat and the alcohol which are the reactants. However, in order to manufacture a reactor having the size necessary for completing the reaction while maintaining the turbulent flow, the diameter of the tubular reactor must be reduced and the length must be increased, thereby increasing the apparatus cost and lowering the economic efficiency.

한편, 본 발명의 바이오디젤 제조에 있어 초임계 상태의 알코올을 사용함에 따라 반응물인 유지와 알코올 간의 혼합이 용이해지나 교반기(agitator)와 같은 별도의 혼합 장비를 설치하는 것이 어렵기 때문에 점도가 낮은 알코올의 부피비나 질량비를 증가시켜 반응물 간의 혼합을 개선할 수 있다. 그러나 유지와 알코올 간의 분자량의 차이가 크기 때문에 반응에 필요한 1:3 (트리글리세라이드:알코올) 몰비 보다 매우 높은 몰비의 알코올을 사용해야 한다. 예를 들어 팜유와 메탄올을 원료로 사용하는 경우 반응물간의 질량비가 1:1이라면 트리글리세라이드와 메탄올의 몰비는 1:26.5이 된다. 따라서 상기한 반응식에 의한 반응수율의 증가 또는 반응물 간의 원활한 혼합을 위하여 몰비를 증가시키는 것이 필요하지만 미반응물의 회수에 필요한 에너지 소모비용 역시 증가시키므로 알코올의 사용량을 최소화하는 것이 바람직하다.On the other hand, in the production of biodiesel of the present invention, the use of supercritical alcohol facilitates the mixing between the reactant fat and alcohol, but it is difficult to install a separate mixing equipment such as an agitator. Increasing the volume or mass ratio of alcohol may improve the mixing between reactants. However, due to the large molecular weight difference between fats and oils, a higher molar ratio of alcohol than the 1: 3 (triglyceride: alcohol) molar ratio required for the reaction should be used. For example, when palm oil and methanol are used as raw materials, if the mass ratio between the reactants is 1: 1, the molar ratio of triglyceride and methanol is 1: 26.5. Therefore, it is necessary to increase the molar ratio in order to increase the reaction yield according to the above reaction formula or to smoothly mix the reactants, but it is also preferable to minimize the amount of alcohol used since the energy consumption cost required for the recovery of unreacted materials is also increased.

본 발명은 초임계 상태의 알코올을 이용하여 촉매를 사용하지 않고 반응기에서 바이오디젤을 제조함에 있어, 반응기 내 흐름을 난류 상태로 만들 수 있는 적절한 형태를 가진 충전물(packing)이 충전된 반응기를 사용할 경우 초임계 상태의 알코올과 유지 사이의 혼합이 증가되어, 알코올을 사용량을 줄여도 반응수율을 높일 수 있다는 놀라운 결과에 기초한다. 따라서 난류 흐름을 형성하기 위하여 반응기 직경을 작게 할 필요가 없으며 반응기 길이 또한 상대적으로 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 결과적으로 혼합에 필요한 알코올의 양을 감소시킬 수 있기 때문에 초임계 알코올을 이용한 바이오디젤 공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있으며, 반응하지 않고 남은 알코올의 회수에 필요한 비용을 줄일 수 있으므로 매우 경제적이다. 이러한 본원발명의 효과는 본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 매우 놀라운 것이다. The present invention uses the supercritical alcohol to prepare biodiesel in a reactor without using a catalyst. In the case of using a reactor filled with a packing having a suitable form to make the flow in the reactor turbulent, It is based on the surprising result that the mixing between the alcohol and the fat in the supercritical state is increased, so that the reaction yield can be increased even though the amount of alcohol used is reduced. Therefore, it is not necessary to reduce the reactor diameter in order to form a turbulent flow, and the reactor length can also be relatively reduced. As a result, since the amount of alcohol required for mixing can be reduced, it is possible to greatly improve the economics of the biodiesel process using supercritical alcohol, and it is very economical because it can reduce the cost required to recover the remaining alcohol without reacting. This effect of the present invention is very surprising to those skilled in the art to which the present invention belongs.

반응기 내의 흐름을 난류 상태로 만들기 위한 충전물의 형태로는 편물 망(knit mesh), 구슬(bead), 고리(ring), 버얼쌔들(berl saddle) 등이 있으나, 반응기 내부의 흐름을 난류 상태로 만들 수 있으면 어떠한 형태도 제한되는 것이 아 니다.Fillers for turbulent flow in the reactor include knit mesh, beads, rings, and burl saddles. If you can, no form is limited.

또한 반응기 내부에 충전하는 충전물을 제조하기 위한 재료로는 반응기 재질로 사용되는 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(Inconel), 스테인레스 스틸(Stainless steel) 합금 등의 금속과 세라믹 재질 등 초임계 상태의 고온을 견딜 수 있는 재료라면 어느 것을 사용하더라도 무방하다.In addition, as a material for preparing the filling filling in the reactor, supercritical high temperature such as metal and ceramic materials such as Hastelloy, Inconel, stainless steel alloy, etc. Any material that can withstand it may be used.

본 발명에서는 알칼리나 산 촉매 공정과는 달리 넓은 접촉 면적을 제공하는 미세기공(micropore) 구조를 가지거나 촉매를 담지시킨 충전물을 사용할 필요가 없으며, 반응기 내 흐름을 개선할 수 있는 충전물의 형태와 충전물 간의 공극(void)의 특성이 본 발명의 개선 효과를 극대화시키는데 주요한 영향을 미치는 인자이다.In the present invention, unlike the alkali or acid catalyst process, it is not necessary to use a filler having a micropore structure or a catalyst-carrying structure that provides a large contact area, and a form and a filler of a filler which can improve the flow in the reactor. The nature of the voids in the liver is a major factor in maximizing the improvement effect of the present invention.

본 발명의 바이오디젤 제조에 있어 주재료인 유지로는 통상의 식물성 유지, 동물성 유지 또는 재생 유지가 사용될 수 있다. 식물성 유지에는 팜유, 대두유, 유채유, 옥수수유, 평지유, 해바라기유, 홍화유, 면실유, 참기름, 미강유, 팜핵유, 동백유, 피마자유, 올리부유, 야자유 등의 식물기원의 기름 및 그것들을 튀김 기름 등에 이용한 폐식용유 등이 포함된다. 동물성 유지에는 육상동물기름과 수산동물기름이 있고, 우지, 돈지, 양지, 어유, 고래기름, 다랑어 기름 등과 그것들을 튀김 기름 등에 이용한 폐식용유 등도 포함된다.As the main ingredient in the production of biodiesel of the present invention, conventional vegetable oil, animal oil or regenerated oil may be used. Vegetable oils include oils of plant origin such as palm oil, soybean oil, rapeseed oil, corn oil, rapeseed oil, sunflower oil, safflower oil, cottonseed oil, sesame oil, rice bran oil, palm kernel oil, camellia oil, castor oil, olibu oil, palm oil, and fried oils. Used waste cooking oil and the like are included. Animal fats include terrestrial oils and aquatic animal oils, as well as tallow, pork, sunny, fish oil, whale oil, tuna oil, and waste cooking oil using them for fried oil.

본 발명에서 유지와 반응하는 물질인 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 등과 같이 탄소수 1-5의 저급 알코올을 단일 성분으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 특히 메탄올이 끓는점이 낮아 생성물로부터 회수가 용이하고 가격이 저렴하기 때문에 바이오디젤 제조에 사용하기에 가장 적합하다.Alcohol, which is a substance reacting with fat and oil in the present invention, may be used as a single component or mixed with a lower alcohol having 1 to 5 carbon atoms, such as methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol and the like. In particular, methanol is most suitable for use in biodiesel production because of its low boiling point, which is easy to recover from the product and inexpensive.

본 발명의 바이오디젤 제조에 있어 반응물인 유지 내의 트리글리세라이드와 알코올은 1:3-1:60의 몰비로 혼합하여 반응기로 공급한다. 보다 바람직한 것은 몰비 1:10-1:35의 범위이다.In preparing the biodiesel of the present invention, triglyceride and alcohol in a fat or oil which is a reactant are mixed in a molar ratio of 1: 3-1: 60 and fed to the reactor. More preferred is in the range of molar ratio 1: 10-1: 35.

본 발명에서 유지와 알코올의 에스테르교환반응이 종료되면 미반응된 알코올을 증발기를 이용하여 회수한다. 이때 증발온도를 낮추고 증발속도를 증가시키기 위하여 증발기 내의 압력을 대기압 이하로 낮추어주는 것이 바람직하다. 알코올이 회수된 이후 에스테르교환반응에 의하여 생성된 글리세롤과 지방산 알킬에스테르 화합물은 일정 시간 정치하면 두 개의 층을 형성한다. 상층부에는 밀도가 낮은 지방산 알킬에스테르 화합물이 모이고 하부에는 밀도가 높은 글리세롤 층이 형성된다. 이때 글리세롤과 지방산 알킬에스테르 즉, 바이오디젤을 분리한다. 분리된 바이오디젤은 증류 등의 추가적인 분리 공정을 실시하여 순도를 증가시킬 수 있다.In the present invention, when the transesterification of fats and oils is completed, the unreacted alcohol is recovered by using an evaporator. At this time, in order to lower the evaporation temperature and increase the evaporation rate, it is preferable to lower the pressure in the evaporator to below atmospheric pressure. After alcohol recovery, the glycerol and fatty acid alkylester compounds produced by the transesterification reaction form two layers after standing for a certain time. In the upper part, a low-density fatty acid alkyl ester compound is collected, and in the lower part, a high-density glycerol layer is formed. At this time, glycerol and fatty acid alkyl ester, that is, biodiesel is separated. The separated biodiesel may be subjected to additional separation processes such as distillation to increase the purity.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples and the like will be described in detail to help understand the present invention. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, the scope of the invention should not be construed as limited to the following examples. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

하기 실시예에 있어 최종적으로 얻어진 바이오디젤의 순도는 Agilent GC 6890을 이용하여 측정하였으며 분석에 사용된 칼럼이나 방법은 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester, FAME)의 분석에 대한 유럽 기준(pr EN14103, 2003)을 따랐다. 한편, FAME 수율은 반응에 사용된 팜유의 질량과 회수된 바이오디젤의 질 량으로부터 하기 수학식 1과 같이 정의되었다.The purity of the biodiesel finally obtained in the following examples was measured using Agilent GC 6890 and the column or method used for the analysis was based on European standards for the analysis of fatty acid methyl ester (FAME) (pr EN14103, 2003 ). On the other hand, FAME yield was defined by the following equation 1 from the mass of palm oil used in the reaction and the mass of recovered biodiesel.

Figure 112006098491382-PAT00002
Figure 112006098491382-PAT00002

<실시예 1-4의 제조>Preparation of Example 1-4

본 실시예에서 사용되는 장치는 도 1에 나타낸 것과 같은 연속식 바이오디젤 제조 장치이며 반응기는 내경 1.5 cm, 부피 116 mL의 관형반응기를 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 자체 제작하여 사용하였다. 관형반응기 내부에는 부피가 약 10 mL인 하스텔로이(hastelloy) C-276 합금으로 제작된 편물 망(knit mesh)을 충전하여 원료로 사용된 팜유와 메탄올의 혼합 효과를 증가시켰다.The apparatus used in this embodiment is a continuous biodiesel production apparatus as shown in Figure 1 and the reactor was used by self-producing a tubular reactor having a diameter of 1.5 cm and a volume of 116 mL made of stainless steel. The inside of the tubular reactor was filled with a knit mesh made of hastelloy C-276 alloy having a volume of about 10 mL to increase the mixing effect of palm oil and methanol used as a raw material.

정제된 팜유(refined, bleached and deodorized palm oil)를 유지저장조(1)에 넣은 후 반응시간 및 몰비 등의 실험조건에 따라 고압펌프(3)의 유량을 조절하여 주었다. 실시예 1과 2의 경우에는 325℃, 실시예 3과 4의 경우에는 350℃를 반응온도로 설정하였으며, 실시예 1과 3은 메탄올과 팜유의 몰비를 약 20:1로, 실시예 2와 4는 약 30:1로 설정하였으며 반응시간은 모두 약 15분이 되도록 유량을 조절하였다.Purified palm oil (refined, bleached and deodorized palm oil) was put in the holding tank (1) and the flow rate of the high pressure pump (3) was adjusted according to the experimental conditions such as reaction time and molar ratio. In the case of Examples 1 and 2 was set to the reaction temperature 325 ℃, 350 and 350 ℃ in the case of Examples 3 and 4, Example 1 and 3 is about 20: 1 molar ratio of methanol and palm oil, 4 was set to about 30: 1 and the flow rate was adjusted so that the reaction time was about 15 minutes.

정제된 팜유와 메탄올은 고압펌프를 사용하여 예열기(4)를 거쳐 반응온도(325℃ 또는 350℃)로 예열되어 반응기(5)로 유입하여 주었다. 반응이 일어나는 동안 반응기(5)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 반응기(5) 주위에 가열기(6)를 설치하여 원하는 반응 온도로 제어하였다. 반응 완료 후에는 냉각기(7)를 통하여 급격히 상온까지 온도를 내려 주어 반응기(5) 안에서 모든 반응이 완료되도록 하였으며 전체 바이오디젤 제조 장치의 압력은 열교환기 이후에 설치된 역압조정기(8: back pressure regulator)를 통하여 35 MPa로 조절하여 주었다.The refined palm oil and methanol were preheated to a reaction temperature (325 ° C. or 350 ° C.) through a preheater 4 using a high pressure pump and introduced into the reactor 5. In order to keep the temperature of the reactor 5 constant during the reaction, a heater 6 was installed around the reactor 5 to control the desired reaction temperature. After completion of the reaction, the temperature was rapidly lowered to room temperature through the cooler (7) to complete all the reactions in the reactor (5). The pressure of the entire biodiesel manufacturing apparatus was set to a back pressure regulator (8: back pressure regulator) installed after the heat exchanger. It was adjusted to 35 MPa through.

도 1에 나타낸 바이오디젤 제조 장치가 각 실시예에 따라 정상상태로 운전된 지 일정 시간 경과 후 유출액 수집용기(9)에 포집된 유출액을 수거하여 유출액 중에 남아있는 미반응 메탄올을 진공증발기(vacuum evaporator)를 이용하여 제거하였다. 메탄올이 제거된 후 남아 있는 생성물을 분별깔때기에 30분간 정치시킨 후 하부의 글리세롤 층을 분리하여 바이오디젤을 회수하였다. 회수된 바이오디젤 중의 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester, FAME)의 함량은 상기한 바와 같이 유럽기준(pr EN14103)에 따라 Agilent GC 6890을 사용하여 분석하였다. After a certain time since the biodiesel manufacturing apparatus shown in FIG. 1 was operated in a steady state according to each embodiment, the effluent collected in the effluent collection container 9 was collected to collect unreacted methanol remaining in the effluent. ) Was removed. After methanol was removed, the remaining product was allowed to stand for 30 minutes in a separatory funnel, and the lower glycerol layer was separated to recover biodiesel. The content of fatty acid methyl ester (FAME) in the recovered biodiesel was analyzed using Agilent GC 6890 according to European standard (pr EN14103) as described above.

각 실시예에 따른 반응조건 및 분석 결과를 표 1에 정리하여 나타내었다.The reaction conditions and analysis results according to each example are summarized in Table 1 below.

반응기 내경 (cm)Reactor Inner Diameter (cm) 반응온도 (℃)Reaction temperature (℃) 반응압력 (MPa)Reaction pressure (MPa) 메탄올:팜유 몰비Methanol: Palm oil molar ratio 반응시간 (min)Response time (min) FAME 함량 (%)FAME content (%) FAME 수율 (%)FAME yield (%) 실시예 1Example 1 1.51.5 325325 3535 20.4:120.4: 1 14.8714.87 70.5770.57 70.4870.48 실시예 2Example 2 1.51.5 325325 3535 30.1:130.1: 1 14.9414.94 84.0284.02 82.0882.08 실시예 3Example 3 1.51.5 350350 3535 21.3:121.3: 1 15.0815.08 90.3690.36 89.9889.98 실시예 4Example 4 1.51.5 350350 3535 29.3:129.3: 1 14.9414.94 94.9994.99 93.1993.19

<비교예 1-4의 제조><Manufacture of Comparative Example 1-4>

본 비교예에서 사용되는 장치는 실시예와 동일한 장치를 사용하였으며 반응기는 실시예에서 사용한 내경 1.5 cm, 부피 115 mL의 관형반응기 외에 내경 1/8 inch와 1/4 inch인 스테인레스 스틸 튜브를 각각 12 m, 6 m 길이의 코일 형태로 감아서 제작한 반응기를 사용하였다. 비교예의 경우에는 실시예와는 달리 관형반응기 내부에 아무런 충전물을 넣지 않은 채로 반응을 진행하였다.The apparatus used in this comparative example used the same apparatus as in the example, and the reactor used a stainless steel tube having an internal diameter of 1/8 inch and 1/4 inch in addition to the tubular reactor having an inner diameter of 1.5 cm and a volume of 115 mL used in the examples. A reactor prepared by winding in the form of a coil of m and 6 m length was used. In the case of the comparative example, unlike the example, the reaction was carried out without any filling in the tubular reactor.

비교예의 경우 반응온도를 모두 350℃로 설정하였으며 메탄올과 팜유의 몰비를 약 40:1로, 반응시간은 모두 약 15분이 되도록 유량을 조절하였다.In the case of the comparative example, the reaction temperature was all set to 350 ° C., the molar ratio between methanol and palm oil was about 40: 1, and the flow rate was adjusted so that the reaction time was about 15 minutes.

각 비교예에 따른 반응조건 및 분석 결과를 표 2에 정리하여 나타내었다.The reaction conditions and analysis results according to the comparative examples are summarized in Table 2.

반응기 내경 (cm)Reactor Inner Diameter (cm) 반응온도 (℃)Reaction temperature (℃) 반응압력 (MPa)Reaction pressure (MPa) 메탄올:팜유 몰비Methanol: Palm oil molar ratio 반응시간 (min)Response time (min) FAME 함량 (%)FAME content (%) FAME 수율 (%)FAME yield (%) 비교예 1Comparative Example 1 0.17560.1756 350350 3535 38.8:138.8: 1 12.3712.37 93.9393.93 86.0786.07 비교예 2Comparative Example 2 0.30480.3048 350350 3535 43.8:143.8: 1 15.6215.62 91.5291.52 90.7290.72 비교예 3Comparative Example 3 1.51.5 350350 3535 44.7:144.7: 1 15.1215.12 61.7361.73 64.8364.83 비교예 4Comparative Example 4 1.51.5 325325 3535 39.5:139.5: 1 15.0115.01 42.9142.91 42.9342.93

도 2에 비교예 1-3과 실시예 1-4에 따른 FAME 함량을 비교하여 나타내었다. 표 1과 2 및 도 2에 나타나는 바와 같이, 관형반응기의 내경이 증가하여 반응물의 유속이 상대적으로 감소함에도 불구하고 반응기 내부에 편물 망을 충전한 경우에는 팜유와 메탄올의 혼합 효과가 개선되어 높은 FAME 함량과 FAME 수율을 얻을 수 있었다. 특히 FAME 함량과 FAME 수율을 동일 수준으로 유지하거나 또는 증가시키면서도 팜유사용량에 대한 메탄올 사용량을 몰비 기준으로 40:1에서 30:1 이하로 감소시킴으로써 반응 완료 후 생성물에 포함된 미반응 메탄올의 양을 감소시킬 수 있었다.2 shows a comparison of FAME contents according to Comparative Examples 1-3 and Examples 1-4. As shown in Tables 1 and 2 and FIG. 2, the mixing effect of palm oil and methanol was improved when the knitted network was packed into the reactor despite the fact that the inner diameter of the tubular reactor was increased to decrease the flow rate of the reactants. Content and FAME yield were obtained. In particular, while maintaining or increasing the FAME content and FAME yield at the same level, the amount of unreacted methanol in the product is reduced after completion of the reaction by reducing the amount of methanol to palm oil consumption from 40: 1 to 30: 1 based on the molar ratio. I could make it.

<비교예 5-7의 제조><Manufacture of Comparative Example 5-7>

본 비교예에 사용된 연속식 반응기는 1/4 inch 튜브로 각각 23 mL, 45 mL, 71.3 mL 크기를 갖도록 제작하였다. 메탄올과 팜유의 반응기 내 체류시간에 의한 영향을 알아보기 위하여 온도는 350℃, 압력은 35 MPa, 몰비는 40:1로 고정시킨 후 각 펌프의 유속을 일정하게 유지시킨 채 반응기를 교대로 장착하여 바이오디젤을 제조하였다. 도 3에 나타낸 것처럼 반응기의 부피가 증가함에 따라 체류시간이 각각 4.8 분, 9.7 분, 15.6 분으로 증가하면서 FAME 함량이 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다.The continuous reactor used in this comparative example was constructed to have sizes of 23 mL, 45 mL, and 71.3 mL, respectively, with 1/4 inch tubes. In order to examine the effects of methanol and palm oil on the residence time in the reactor, the temperature was fixed at 350 ° C, the pressure was 35 MPa, and the molar ratio was 40: 1, and the reactors were alternately installed while maintaining the constant flow rate of each pump. Biodiesel was prepared. As shown in FIG. 3, as the volume of the reactor increased, the retention time was increased to 4.8 minutes, 9.7 minutes, and 15.6 minutes, respectively, and the FAME content was continuously increased.

<비교예 8-11의 제조><Manufacture of Comparative Example 8-11>

본 비교예에서는 비교예 5-7에 사용된 71.3 mL 반응기를 사용하였으며 비교예 5-7에 사용된 온도, 압력 및 몰비 조건하에 각 펌프의 유속을 증가시켜 바이오디젤을 제조하였다. 도 4에는 펌프 유량의 증가에 따른 FAME 함량을 나타내었으며 앞선 비교예 5-7의 결과와는 반대로 체류시간이 28.5 분, 20.7 분, 14.8 분, 10.5 분으로 감소하지만 FAME 함량은 오히려 증가하는 경향을 나타내었다. In this comparative example, a 71.3 mL reactor used in Comparative Example 5-7 was used, and biodiesel was prepared by increasing the flow rate of each pump under the conditions of temperature, pressure, and molar ratio used in Comparative Example 5-7. 4 shows the FAME content according to the increase in the pump flow rate, and in contrast to the results of Comparative Example 5-7, the retention time was reduced to 28.5 minutes, 20.7 minutes, 14.8 minutes, and 10.5 minutes, but the FAME content was rather increased. Indicated.

비교예 5-7과 비교예 8-11은 반응물인 팜유와 메탄올의 혼합의 중요성을 나타내는 결과로서 도 3과 4에 표시된 레이놀즈(Reynolds) 수의 중요성을 나타낸다. 즉, 회분식 반응기와는 달리 연속식 반응기에서는 두 반응물이 층류 영역에 있으면 별도로 교반을 시킬 수가 없으므로 두 반응물 간의 혼합은 확산에 의존할 것으로 예측되며 초임계 상태의 메탄올에서는 액체 상태와 비교하여 확산에 대한 물질전달 저항이 크게 감소하는 것으로 알려져 있으나, 도 4와 같은 결과로 보아 연속식 반응기 내의 흐름을 난류로 만들거나 혼합을 개선하기 위한 충전물 등의 설치가 필요할 것으로 사료된다. 한편, 비교예 5-7의 결과는 유체의 거동이 동일한 조건에서는 체류시간에 따라 반응이 더 진행되어 FAME 함량이 증가하는 것으로 생각된다.Comparative Examples 5-7 and 8-11 show the importance of the Reynolds number shown in FIGS. 3 and 4 as a result showing the importance of mixing the reactant palm oil and methanol. In other words, unlike a batch reactor, in a continuous reactor, if two reactants are in a laminar flow zone, stirring cannot be performed separately. Therefore, mixing between the two reactants is expected to be dependent on diffusion. It is known that the mass transfer resistance is greatly reduced, but as a result as shown in FIG. 4, it may be necessary to install a filling or the like to make the flow in the continuous reactor turbulent or improve mixing. On the other hand, the results of Comparative Example 5-7 is considered to increase the FAME content by the reaction proceeds further with the residence time under the same fluid behavior.

이와 같이, 본 발명의 제조방법은 초임계 알코올을 사용하고, 촉매를 사용하지 않는 바이오디젤의 제조방법에 있어 난류 흐름을 생성할 수 있는 충전물로 충진된 반응기를 사용함으로써 반응기의 내경을 감소시키거나 길이를 증가시키지 않으면서 유지와 알코올의 혼합을 개선하여 지방산 알킬에스테르 함량이 높은 바이오디젤을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 초임계 알코올을 사용하는 무촉매 제법의 문제점인 높은 유지 대 알코올의 몰비를 획기적으로 감소시키면서도 바이오디젤의 생산성과 수율을 향상시킬 수 있다. 따라서 본원발명은 폐식용유 등의 재활용에 적합한 초임계 알코올 이용 바이오디젤 제조 기술의 경제성 제고를 기대할 수 있다. As described above, the production method of the present invention reduces the inner diameter of the reactor by using a supercharged alcohol and using a reactor filled with a filler capable of generating turbulent flow in the production method of biodiesel without a catalyst. By improving the mixing of fats and oils without increasing the length, biodiesel with a high fatty acid alkyl ester content can be produced, and the molar ratio of high fats to alcohol, which is a problem of the non-catalytic preparation using the conventional supercritical alcohol While dramatically reducing the yield of biodiesel, the productivity and yield can be improved. Therefore, the present invention can be expected to enhance the economics of the supercritical alcohol-using biodiesel manufacturing technology suitable for recycling waste cooking oil.

Claims (6)

촉매를 사용하지 않고 초임계 알코올과 유지를 반응시켜 지방산 알킬에스테르와 글리세롤을 제조하는 방법에 있어서,In the method for producing fatty acid alkyl esters and glycerol by reacting supercritical alcohol and fats and oils without using a catalyst, 내부에 난류 흐름(turbulent flow)을 형성할 수 있는 충전물(packing)로 충전된 연속식 반응기를 사용하는 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법.A method for producing a fatty acid alkyl ester, characterized by using a continuous reactor packed with a packing capable of forming a turbulent flow therein. 제1항에 있어서, 상기 충전물은 편물 망(knit mesh), 구슬(bead), 고리(ring) 또는 버얼쌔들(berl saddle)인 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법.The method of claim 1, wherein the filler is a knit mesh, a bead, a ring, or a saddle. 제1항에 있어서, 상기 유지와 알코올은 1:10 내지 1:35의 몰비로 반응되는 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법.The method of claim 1, wherein the fats and oils are produced in a fatty acid alkyl ester, characterized in that the reaction in a molar ratio of 1:10 to 1:35. 제1항에 있어서, 상기 제조방법은 온도 250-350℃, 압력 30-50 MPa의 조건으로 1-60분 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법.According to claim 1, wherein the production method is a method for producing a fatty acid alkyl ester, characterized in that the reaction for 1-60 minutes under the conditions of temperature 250-350 ℃, pressure 30-50 MPa. 제1항에 있어서, 상기 유지는 팜유, 대두유, 유채유, 옥수수유, 평지유, 해바라기유, 홍화유, 면실유, 참기름, 미강유, 팜핵유, 동백유, 피마자유, 올리부유, 야자유, 우지, 돈지, 양지, 어유, 고래기름, 다랑어 기름 및 이들의 폐유로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법.According to claim 1, wherein the oil is palm oil, soybean oil, rapeseed oil, corn oil, rapeseed oil, sunflower oil, safflower oil, cottonseed oil, sesame oil, rice bran oil, palm kernel oil, camellia oil, castor oil, olibu oil, palm oil, tallow, lard, sunny , Fish oil, whale oil, tuna oil and a method for producing a fatty acid alkyl ester, characterized in that any one selected from the group consisting of these waste oils. 제1항에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 지방산 알킬에스테르의 제조방법.The method of claim 1, wherein the alcohol is any one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol and pentanol.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101395795B1 (en) * 2011-10-06 2014-05-19 재단법인 포항산업과학연구원 Direct non-catalytic biodiesel production without oil extraction

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