KR20140093297A - 전자기파를 이용한 연속식 바이오디젤 제조장치 - Google Patents

Abstract

전자기파를 이용한 연속식 바이오디젤 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 초음파와 마이크로파를 이용하여 바이오디젤을 제조하는 장치를 제시하여, 반응시간이 오래 걸리고 장치가 복잡한 기존 바이오디젤 제조 방법의 문제점을 해결하고자 하는 기술에 관한 것이다.
그 구성은 다음과 같다.
반응물 혼합조(2)에 채워진 바이오디젤 원료와 촉매 혼합물을 액체 정량 이송펌프(7)를 이용하여 일정한 유량으로 초음파 반응기(3)에 공급하여 반응물이 초음파 에너지에 의해 에스테르 교환반응이 일어나게 하는 단계; 이로부터 제조된 1차 생성물은 1차 생성물 저장조(14)에 보관되었다가 여기에 설치된 액체 정량 펌프에 의해 일정한 유량으로 마이크로파 반응기(4)에 공급하는 단계; 마이크로파 반응기에서는 마그네트론(11)에서 발생하는 마이크로파에 의해 2차 에스테르 교환반응이 일어나도록 하는 단계; 마이크로파 반응기에서 생성된 2차 생성물은 생성물 분리조(5)에서 모아져 바이오디젤과 클리세린이 분리되는 단계로 이루어진다.

Description

전자기파를 이용한 연속식 바이오디젤 제조방법{Manufacturing method of Bio-Diesel using electromagnetic wave}

전자기파를 이용한 연속식 바이오디젤 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 초음파와 마이크로파를 이용하여 바이오디젤을 제조하는 장치를 제시하여, 반응시간이 오래 걸리고 장치가 복잡한 기존 바이오디젤 제조 방법의 문제점을 해결하고자 하는 기술에 관한 것이다.

바이오디젤은 유지와 알코올을 반응시켜 만든 지방산 알킬에스테르(fatty acid alkyl esters)를 말한다.

바이오디젤은 경유와 특성이 유사하여 경유용 자동차의 엔진을 변경하지 않고 바로 사용하거나 경유와 혼합하여 사용할 수 있다.

혼합유는 석유를 정제하여 제조하는 경유와 바이오디젤의 혼합비율이 80:20인 BD20과 경유와 바이오디젤의 혼합비율이 95:5인 BD5로 구분되어 경유를 대체하여 사용되고 있다.

바이오디젤은 식물성 유지, 폐식용유, 동물성 지방 등을 화학적으로 전환시켜 생산되며 청정연소가 가능하다.

구조적 특징으로는 무게기준으로 10% 정도 산소를 함유하며, 황성분과 방향족 탄화수소는 포함하고 있지 않다.

바이오디젤의 물리적 성질은 석유정제를 통해 생산되는 경유와 매우 유사하지만 생산과정에서 배출하는 대기오염 배출량이 매우 적으며 사용 시 매연이나 미세먼지, 이산화탄소 등 공해물질 배출을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

식물성 유지는 포화지방산과 불포화 지방산의 트리글리세라이드(triglyceride)로서 종류에 따라 지방산 조성이 다르다.

이로 인해 유지의 종류에 따라 저급 알코올과 반응성이 다르고 제조한 바이오디젤의 저온 유동성과 산화 안정성도 달라진다.

탄화수소 사슬이 짧거나 이중결합이 많으면 저급 알코올과 반응성이 높으나, 포화지방산 함량이 많으면 저온 유동성이 낮아서 겨울철에 자동차의 필터가 막히거나 시동이 잘 걸리지 않는 문제가 발생한다.

반면 불포화지방산의 함량이 많으면 산소 안정성이 낮아 저장 안정성이 문제가 된다.

바이오디젤 제조방법은 열분해, 미세 에멀젼화(microemulsification), 희석, 에스테르 교환(transesterification) 등이 있다.

에스테르 교환은 알코올리시스(alcoholysis)라고도 불리며 가수분해와 유사한 과정을 통해 에스테르를 다른 알코올로 치환하는 공정을 말한다.

이 반응에 메탄올을 사용하면 메타놀리시스(methanolysis)라고 하며 메탄올과 트리글리세라이드의 반응에 의해 바이오디젤로 불리는 지방산 메틸에스테르와 글리세롤이 생성된다.

초음파는 가청 주파수 이상의 높은 음으로서 주파수가 약 20 k 이상인 음파를 말한다. 주파수가 가청주파수 20 kHz 보다 커서 인간이 청각을 이용해 들을 수 없는 음파이다.

사람의 귀가 들을 수 있는 음파의 주파수는 일반적으로 16 Hz~20 kHz의 범위다.

주파수가 20 kHz를 넘는 음파를 초음파라고 한다.

초음파는 파장이 10 ~수 ? 밖에 되지 않기 때문에 공기 속에서는 곧 감쇠되지만 물이나 기름 속에서는 멀리 전파하고 지향성이 날카롭다.

강력한 초음파를 내어도 귀에 장해를 주지 않기 때문에 깊이 측정, 의학 진단, 세정 및 가공 등 여러 분야에 이용되고 있다.

초음파는 에너지를 예각으로 집중시켜 일정한 방향으로 송신시킬 수 있으며, 매질이 다르면 빛과 같이 반사, 굴절하는 성질이 있다.

초음파는 전파방식에 따라 종파, 횡파, 표면파, 판파 등이 있다.

초음파 탐상(探想)에 사용되는 초음파는 보통 20 ~25 정도이다. 화학반응에서 초음파 에너지는 액-액 반응물계에서 계면 사이에 상호작용을 촉진시켜 화학변환을 일으키는 기능이 있어 화학반응에 사용되는 특징이 있다.

마이크로파는 가시광선과 같은 전파이며, 전자기 복사 스펙트럼의 일부이다.

마이크로파는 300 MHz 내지 300 GHz 범위의 주파수를 갖는다.

마이크로파는 TV 방송, 위성 통신, 항공 항행 및 해상 항행을 보조하기 위한 레이더, 이동 전화를 포함한 전기 통신 등에 주로 사용된다.

또한, 물질을 녹이고 건조시키기 위한 산업용, 투열 요법 치료 및 의료 장비 살균을 위한 의료용도, 음식 조리를 위한 주방용 등으로 활용되고 있다.

빛이 물질에 의해 반사, 전송, 또는 흡수되는 것과 마찬가지로 마이크로파도 동일한 특성을 지니고 있다.

유리 및 일부 플라스틱과 같은 비금속 물질은 마이크로파를 투과시키는 반면, 금속 물질은 마이크로파를 완전히 반사하는 특성을 지니고 있다.

예를 들면, 음식 또는 인체 조직 등과 같이 수분을 포함한 물질은 더 쉽게 마이크로파 에너지를 흡수하며, 흡수된 에너지는 열로 전환된다.

반응에 사용되는 마이크로파는 2450 MHz의 주파수에서 일반적으로 500~1100 W 범위의 전력에 의해 생성되어 작동 된다.

마이크로파는 액-액 반응에 대하여 에너지 흡수 효과가 높고 반응물 활성화가 빨라 반응을 촉진시키는 기능이 있다.

본 발명에서는 동식물성 유지로부터 바이오디젤을 제조하기 위하여 전자기파인 초음파와 마이크로파를 반응의 에너지원으로 적용하였다.

에스테르 교환 반응을 적용한 공정으로 열화학 반응에 의한 에스테르 교환 공정이 널리 알려져 상용화되어 있다.

이 방법은 유지와 알코올, 그리고 촉매를 반응기에 혼합한 후 60~90 에서 반응시켜 바이오디젤을 제조하는 방법이다.

최근에는 반응물의 임계온도와 임계압력 이상으로 온도와 압력을 올려 반응시키는 초임계 유체 공정에 대한 관심이 높아지고 있다.

초임계유체 공정에 의한 에스테르 교환 반응은 10분 정도 지나면 바이오디젤의 수율이 90% 이상 얻어지므로 반응시간이 매우 짧다.

반응물로 사용되는 알코올은 반응 원료인 유지와 상이한 특성을 가지고 있으므로 상온 상압에서는 서로 섞이지 않으나 초임계 상태에서는 서로 섞이면서 단일 상이 되어 반응이 진행되므로 반응속도가 빨라진다.

또, 알코올은 초임계 상태에서 약한 산성을 띄게 되어 산촉매 작용을 하므로 촉매를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

그러나 초임계 유체 공정은 고온, 고압을 유지하여야 하므로 생산 설비를 구축하는 데 고도의 기술이 필요하고 설비 비용도 매우 많이 들기 때문에 대량생산을 위한 공정으로 일반화시키기 어렵다.

한편, 열화학반응에 의한 바이오디젤 제조방법은 반응시간이 오래 걸리고 복잡한 후처리 공정이 필요하기 때문에 생산 효율이 낮아 이를 개선해야하는 문제점이 있다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 초음파와 마이크로파를 에너지원으로 사용하여 바이오디젤을 제조하는 장치를 제시하여, 반응시간이 오래 걸리고 장치가 복잡한 기존 바이오디젤 제조 방법의 문제점을 해결하고자 하였다.

반응물 혼합조(2)에 채워진 바이오디젤 원료와 촉매 혼합물을 액체 정량 이송펌프(7)를 이용하여 일정한 유량으로 초음파 반응기(3)에 공급하여 반응물이 초음파 에너지에 의해 에스테르 교환반응이 일어나게 하는 단계; 이로부터 제조된 1차 생성물은 1차 생성물 저장조(14)에 보관되었다가 여기에 설치된 액체 정량 펌프에 의해 일정한 유량으로 마이크로파 반응기(4)에 공급하는 단계; 마이크로파 반응기에서는 마그네트론(11)에서 발생하는 마이크로파에 의해 2차 에스테르 교환반응이 일어나도록 하는 단계; 마이크로파 반응기에서 생성된 2차 생성물은 생성물 분리조(5)에서 모아져 바이오디젤과 클리세린이 분리되는 단계로 이루어지는 것을 특징이다

상기 초음파의 주파수는 20 내지 40 kHz로 하고 출력은 200 내지 2,000 W인 것을 특징으로 한다

상기 마이크로파의 주파수는 2,450 MHz이고 출력이 500 내지 1,500 W인 것을 특징으로 한다

본 발명에서 제공하는 전자기파 에너지원에 의한 바이오디젤 제조방법은 초음파 에너지가 공동화 기포를 분사시켜 반응물인 액체-액체 계면 사이의 상호작용을 증대시켜 반응물의 물질전달과 반응성을 향상시킴으로써 반응시간을 단축시키고 촉매 사용량을 감축시킬 수 있다.

이러한 기능은 연속식으로 가동되어 반응시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 바이오디젤의 품질을 높이기 위한 연속 공정으로 마이크로파에 의한 2차 에스테르 교환 반응으로 바이오디젤 생성 수율을 높일 수 있으며 반응 시간도 매우 짧아 생산 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

제 1도는 본원의 전자기파를 이용한 연속식 바이오디젤 제조방법에 따른 설비시스템,
제 2도는 제 1도의 전체를 절개한 절개 사시도,
제 3,4도는 본원을 설명화기 위한 참고도.
제 5도는 본원의 참고도.

원료 저장조(1)로부터 유입되는 반응물 혼합조(2)와, 상기 반응물 혼합조(2)에 채워진 바이오디젤 원료와 촉매 혼합물을 액체 정량 이송펌프(7)를 이용하여 일정한 유량으로 초음파 반응기(3)에 공급하여 반응물이 초음파 에너지에 의해 에스테르 교환반응이 일어나게 하는 단계; 이로부터 제조된 1차 생성물은 1차 생성물 저장조(14)에 보관되었다가 여기에 설치된 액체 정량 펌프에 의해 일정한 유량으로 마이크로파 반응기(4)에 공급하는 단계; 마이크로파 반응기에서는 마그네트론(11)에서 발생하는 마이크로파에 의해 2차 에스테르 교환반응이 일어나도록 하는 단계; 마이크로파 반응기에서 생성된 2차 생성물은 생성물 분리조(5)에서 모아져 바이오디젤과 클리세린이 분리되는 단계로 이루어진다.

상기 초음파의 주파수는 20 내지 40 kHz로 하고 출력은 200 내지 2,000W인 것이 바랍직하다.

상기 마이크로파의 주파수는 2,450 MHz이고 출력이 500 내지 1,500 W인 것이 바람직하다.

상기 저장조(11)는 초음파 반응기와 마이크로파 반응기(4)의 반응 시간이 각각 다르므로 일시적으로 보관하는 보관통이다.

그리고 상기 마이크로파 반응기(4)는 도시한 바와 같이 마이크로파 발생기(4')를 마이크로파 반응기(4)내부에 설치하고 그 외부에 배관라인이 지그재그 또는 코일형태로 감싸듯이 설치되어 진다.

이와 같이 지그재그 및 코일형태로 설치하여 반응물이 마이크로파 반응기 내부에 더욱 머무르게 함으로서 반응물 반응이 더 활발하게 되는 것이다.

상기 액체 정량 이송펌프(7)는 반응물인 액체의 정량을 지속적으로 이동시키고자 정량 이송펌프(7)를 배관라인(50)에 설치한 것이다.

이와 같이 정량을 지속적으로 이동시켜 바이오디젤을 생산함으로서 기기의 부피가 감소되는 결과를 갖는다.

그리고 상기 반응물 혼합조(2) 내부에서 전류에 의해 방열되는 히터(9)가 있고, 반응물을 혼합하는 교반기(8')가 교반용 모터(8)에 의해 교반된다.

이와 같이 구성함으로서 히터(9)를 이용하여 응고된 내용을 액체상태로 만들고,동시에 교반기를 이용하여 반응물을 지속적으로 혼합한다.

그리고 상기 분리조(5)에서 모아져 바이오디젤과 클리세린이 분리되는 단계에서는 도시한 바와 같이, 분리조 하단에 연결된 제1배관(51)에는 분리된 침전물이 배출되고 상기 제1배관(51) 상측에 위치한 제2배관(52)는 바이오디젤이 배출된다.

그리고 상기 배관라인(50)에는 각각 솔레노이드 밸브(12)를 설치하여 장비의 가동을 중지할 경우 서로 역류되는 것을 방지한다.

그리고 상기 초음파 반응기(3) 내부에 초음파 봉(13)가 있어 그 초음파 봉(13)에 의해 반응물이 반응한다.

상기 반응물을 초음파 진동으로 반응하는 기술은 통상적인 공지공용의 기술이다.

다음 반응실험을 설명하면, 반응실험은 도 4에 보인 바와 같은, 초음파의 발생조건은 100 내지 2,000 W 초음파 출력과 20 내지 40 kHz 출력으로 연속 발생시켜 바이오디젤을 제조한다.

2차 반응으로 마그네트론에서 발생하는 300 내지 3,000 MHz 주파수에서 100 내지 2,000 W 출력의 마이크로파를 반응물에 조사하여 에스테르 교환 반응이 일어나도록 하여 바이오디젤을 제조한다.

바이오디젤의 원료로 식물성 또는 동물성 유지와 알콜을 사용하고 촉매로는 수산화칼륨, 수산화나트륨 등 균일촉매를 사용한다.

바이오디젤 제조 방법으로 먼저 알콜에 촉매를 용해시킨다. 촉매의 양은 원료 유지의 중량에 대해 0.5 내지 2%가 되도록 촉매 양을 칭량하고 이를 알콜에 혼합하고 교반시켜 완전히 용해시킨다.

원료 유지와 알콜의 혼합비는 유지에 대한 알콜의 비율은 몰비로 1:3 내지 1:12 비율로 조절한다.

알콜로는 메탄올, 에탄올, 프로판올을 사용하도록 한다.

유지와 알콜 그리고 촉매를 적절한 비율로 혼합한 원료를 반응물 혼합조(2)에서 교반하며 저장한 후 액체 정량 이송펌프(7)를 사용하여 원료 주입구를 통해 초음파 반응기(3)로 정속으로 연속 공급한다.

이 때 공급 유량은 액체 정량 이송펌프(7)를 이용하여 일정한 유속으로 연속 공급한다.

초음파 반응기의 용량은 생성물의 목적 제조량에 따라 조절하여 설계되며 재질은 반응에 영향을 주지 않기 위해 스테인레스 스틸을 사용하는 것을 원칙으로 한다.

바이오디젤을 제조하기 위한 반응으로는 에스테르 교환반응이 적용된다.

1차 반응에 필요한 초음파 에너지는 초음파 발진기(10)에서 만들어져 초음파 트랜스듀서가 내장된 초음파 봉(13)을 통해 반응물에 전달되어 반응기 내부의 반응물이 에스테르 교환반응이 일어나도록 한다.

반응물은 액체 정량 이송 펌프에 의해 반응물 혼합조(2)에서 초음판 반응기(3)로 이송되고 초음파 반응기 내에서 머물면서 반응이 일어나게 된다.

초음파 반응기에서 생성된 생성물은 마이크로파 반응기로 이송된다. 마이크로파는 500 내지 1,100 W의 출력에 의해 주파수가 2,450 MHz인 마이크로파가 반응관에 조사되도록 한다.

반응관은 유리나 세라믹 재질로 하며 전자파 교란이 일어날 수 있는 금속 재질은 피하도록 한다.

마이크로파 반응기를 통과하며 2차 에스테르 교환 반응에 의해 얻어진 바이오디젤은 저장조에 모아진다.

저장조의 생성물로부터 글리세린을 분리하고 정제하여 바이오디젤을 얻는다.

1 : 원료 저장조 2 : 반응물 혼합조
3 : 초음파 반응기 4 : 마이크로파 반응기
4' : 마이크로파 발생기 5 : 생성물 분리조
7 : 이송펌프 8 : 교반용모터
8' : 교반기 9 : 히터
10 : 초음파 발진기 11 : 마그네트론
12 : 솔레노이드 밸브 13 : 초음파 봉
14 : 1차 생성물 저장소 50 : 배관라인

Claims (1)

1. 반응물 혼합조(2)에 채워진 바이오디젤 원료와 촉매 혼합물을 액체 정량 이송펌프(7)를 이용하여 일정한 유량으로 초음파 반응기(3)에 공급하여 반응물이 초음파 에너지에 의해 에스테르 교환반응이 일어나게 하는 단계; 이로부터 제조된 1차 생성물은 1차 생성물 저장조(14)에 보관되었다가 여기에 설치된 액체 정량 펌프에 의해 일정한 유량으로 마이크로파 반응기(4)에 공급하는 단계; 마이크로파 반응기에서는 마그네트론(11)에서 발생하는 마이크로파에 의해 2차 에스테르 교환반응이 일어나도록 하는 단계; 마이크로파 반응기에서 생성된 2차 생성물은 생성물 분리조(5)에서 모아져 바이오디젤과 클리세린이 분리되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자기파를 이용한 연속식 바이오디젤 제조방법.

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