KR20150032535A

KR20150032535A - 반응기 시스템 및 목재개질방법

Info

Publication number: KR20150032535A
Application number: KR20147036050A
Authority: KR
Inventors: 칼린 레이드마커스; 버나더스 조셉 마리아 폴; 폴 버세마커; 테오도루스 헤라르뒤스 마리너스 마리아 카펜
Original assignee: 타이탄 우드 리미티드
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2015-03-26
Also published as: AU2017228570B2; CN108160015B; KR20190011835A; CA2874202A1; CN108160015A; CN104470631B; CL2014003197A1; US11052568B2; BR112014029241B1; JP2015522446A; US20150165642A1; RU2663752C2; MX2014014208A; EP2852456A1; CA2874202C; JP6669494B2; MY184877A; WO2013175420A1; JP2018134869A; US20210299907A1

Abstract

본 발명은 리그노셀룰로오스 물질의 개질을 위한 반응기 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반응기 시스템은 반응기와, 진공 연결부와, 열교환기에 연결된 가스 유동루프에 연결되는 유입구 및 유출구와, 적어도 하나의 유체 순환장치를 포함할 수 있다. 특히 가스 유동루프는 반응 용기의 지름을 가로질러 가스 순환이 이루어지도록 배치될 수 있다. 가스 유동루프는 분배판과 같은 분배장치를 더 포함할 수 있다.

Description

반응기 시스템 및 목재개질방법{Reactor system and process for wood modification}

본 발명은 리그로셀룰로오스 물질의 아세틸화에 관한 것으로, 특히 원목을 대상으로 한다. 본 발명은 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법 및 이를 위한 반응기 시스템이다.

목재를 소재로 하는 긴 수명을 갖는 제품을 생산하기 위해 일반적으로 목재를 화학적으로 개질하고 있으며, 특히 목재를 아세틸화시키고 있다. 이를 통해 개량된 물질 특성, 예컨대 치수안정성, 경도, 내구성 등을 향상시킬 수 있다.

WO 2009/095687에는 목재의 아세틸화 방법이 개시된다. 반응압력용기에서 목재를 아세틸화 유체에 침지시키는 단계, 함침 수행단계, 초과하는 아세틸화 유체를 제거하는 단계, 불활성 유체(일반적으로 질소가스를 사용, 불활성 유체는 비불활성 아세트산 무수물 및/또는 아세트산를 포함할 수 있다.)를 반응압력용기에 유입시키는 단계, 목재의 적정한 아세틸화를 위해 가열 체제에 따라 불활성 유체를 순환 및 가열하는 단계, 순환하는 불활성 유체를 제거하고 아세틸화된 목재를 냉각하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 목재 아세틸화하는데 효과적이지만, 일반적인 장비를 이용하면 여러 결점을 발생시키게 된다.

구체적으로, 반응용기는 전 과정동안 부식성의 아세틸화 유체로 채워져 있으며, 전반적으로 높은 온도와 압력 상태에 있게 된다. 이는 송풍팬과 같은 유체 순환을 위한 장치의 사용에 한계를 초래한다. 여기서 유체는 WO 2009/095687에 개시된 아세트산 및/또는 무수물산을 예로 들 수 있다. 이러한 문제점은 장비의 사용 기간을 짧게하고 높은 작동 비용을 들게한다.

또한, 종래기술에는 목재로부터 아세틸화 매개체를 제거하는 방법이 개시된다. 일반적으로 반응용기에 스트리핑 가스를 사용해 제거하게 되는데, 즉 스트리핑 가스가 응축되면서 이와 함께 액체 화학약품들이 회수될 수 있다. 그러나 화학적 회수방법에 의한 제거는 높은 에너지 투입이 요구되는 단점이 있다.

US 5,525,721에는 증기 상태의 아세틸화 유체를 이용해 목재를 아세틸화하는 방법이 개시된다. 이는 용적대비 높은 표면적을 갖는 목재 섬유나 목재 조각의 아세틸화에 적용될 수 있다. 하지만 상기 방법 및 앞에서 설명한 장치는 원목의 아세틸화에 적합하지 않다. 특히 빔이나 판재와 같은 비교적 큰 크기를 갖는 원목의 아세틸화에 말이다. 또한, US 5,525,721에는 화학적 회수에 대해서는 개시된 바 없다.

본 발명의 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 본 발명의 목적은 아세틸화 장비의 수명이 단축되는 것을 방지하고 공정에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 아세틸화 방법 및 반응기 시스템을 제공하는 데 있다.

전술한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화를 위한 반응기 시스템의 사용에 있어서, 반응 시스템은 리그노셀룰로오스 물질이 유입되기에 적합하도록 개폐 가능한 개구부가 마련된 반응용기와, 아세틸화 유체의 유출입을 위한 액체 유입구 및 액체 유출구와, 제1 가스 유동 루프에 연결되는 가스 유입구 및 가스 유출구를 포함하며, 여기서 제1 가스 유동루프는 상기 가스 유입구 및 가스 유출구에 연결되는 가스 유동관을 포함하며, 또한 가스 유동관은 열교환기 및 적어도 하나의 송풍팬에 연결되며, 아세틸화 공정에서 원목은 액체 아세틸화 매개체에 침지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화를 위한 반응기 시스템은 리그노셀룰로오스 물질이 유입되기에 적합하도록 개폐 가능한 개구부가 마련된 반응용기와, 상기 반응용기 내부에 진공을 형성시키는 진공 연결부와, 아세틸화 유체의 유출입을 위한 액체 유입구 및 액체 유출구와, 제1 가스 유동 루프에 연결되는 가스 유입구 및 가스 유출구를 포함하며, 여기서 제1 가스 유동루프는 상기 가스 유입구 및 가스 유출구에 연결되는 가스 유동관을 포함하며, 또한 가스 유동관은 열교환기 및 적어도 하나의 송풍팬에 연결되며, 이때 제1 가스 유동루프의 유입구 및 유출구는 가스 순환이 상기 반응용기의 지름을 가로질러 이루어지도록 위치된 것을 특징한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법은 리그노셀룰로오스 물질을 반응용기 내부에 위치시키고, 리그노셀룰로오스 물질이 침지되도록 상기 반응용기를 아세틸화 유체로 충진하는 단계와, 리그노셀룰로오스 물질에 아세틸화 유체를 함침시키는 단계와, 초과하는 아세틸화 유체를 제거하고 함침된 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화가 일어나도록 제1 가스 유동루프 및 추가 가스 유동루프를 통해 가열된 가스를 순환시켜 상기 리그노셀룰로오스 물질을 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법은 (a) 리그노셀룰로오스 물질에 아세틸화 유체를 함침시키고, 초과하는 상기 아세틸화 액체는 제거하는 단계와, (b) 상기 함침된 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화가 일어나도록 가열된 가스를 유동시켜 상기 리그노셀룰로오스 물질을 가열시키는 단계와, (c) 잔존하는 아세틸화 유체가 상기 리그노셀룰로오스 물질로부터 배출되도록 상기 리그노셀룰로오스 물질에 가해지는 압력을 저하시키는 단계와, (d) 가스를 응축시킴으로써 배출된 잔존 아세틸화 유체를 제거하는 스트리핑 가스로 기능하도록 하는 단계를 포함하며, 응축되는 상기 가스는 순환하는 가열 가스의 일부인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반응기 시스템을 순환하는 가스 유동 유로를 개선함으로써 열 분배 공정 조건과, 에너지 소비, 열 및 물질전달의 균형성을 개선시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 아세틸화 방법의 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아세틸화 방법의 공정도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 재생 가열기를 포함하는 아세틸화 방법의 공정도를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 흐름과 가스 유동 루프의 전반적 또는 부분적인 열교환을 나타낸 도면이다.

목재를 액체 아세틸화 매개체에 침지시키는 방법에 따른 목재(특히 원목)의 아세틸화는 일반적인 화학반응과 다른 공정이다. 이는 기판 즉 목재의 본래 특성에 의해 이루어 진다. 목재, 특히 원목으로 제공되는 경우(일반적으로 판재나 빔 등의 긴 길이의 형태를 가짐)는 아세틸화 유체와의 최적의 접촉과 촉발 반응을 일으키는 공정 조건으로 처리될 수가 없다. 이는 최적의 함침을 요한다. 이것은 본 발명에 대한 것은 아니며, 종래 방식에 의해 이루어질 수 있다. 다만, 선호되는 전체 아세틸화 유체에의 목재 침지공정은 반응용기(1) 내부 압력하의 위협적인 화학적 액체로 인해 잠재적으로 유해한 조건을 가지게 된다. 본 발명은 물과의 반응 및 목재와의 실제 아세틸화 반응을 제어하거나 촉발시키는 열 분배 공정 조건과, 또한 이와 관련된 에너지 소비와, 또한 열 및 물질전달의 균형성을 개선시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반응기 시스템은 목재 함침에 사용되는 것으로서, 반응에 적합한 온도 및 압력 조건을 갖는 반응용기(1)를 포함한다. 상기 반응용기(1)는 리그노셀룰로오스 물질이 내부로 안내되기에 적합한 개폐가능한 개구부를 가진다. 여기서 리그노셀루로오스 물질은 원목을 예로 들 수 있다. 특히, 판재와 빔과 같이 비교적 큰 크기를 갖는 원목인 경우에 상기 개구부는 해치(hatch) 또는 도어 형태일 수 있다.

본 발명은 반응용기(1) 내부에서 가열된 가스를 순환시킴에 있어서 송풍팬과 액체 아세틸화 매개체의 접촉을 방지할 뿐만 아니라, 아세틸화에 따른 압력이 송풍팬에 가해지는 것을 방지할 수 있다. 반응기 시스템은 열교환기(2)에 연결된 가스 유동관과, 적어도 하나의 송풍팬을 포함하는 가스 유동루프를 이용한다. 송풍팬은 반응기(1) 외부에 위치한다. 이는 송풍팬이 화학적 반응기(1) 내부의 특수한 상황에 있는 경우에도 송풍팬의 블레이드 또는 모터에 가해지는 고압의 아세틸화 액체의 작용을 방지하게 한다. 열교환기(2)는 가스 유동루프 내부의 가스를 가열하기에 충분한 것으로 사용한다.

목재의 아세틸화 반응을 위해 가스를 가열하는 동시에, 열교환기(2)가 구비된 동일한 가스 유동루프를 가스를 냉각하는데 사용할 수 있다. 이러한 냉각 가스는 열과 매개체와 함께 화학적 회수 단계에서 필요하다.

가스 유동루프의 유입구 및 유출구는 반응용기(1)의 지름을 가로질러 가스 순환이 이루어지도록 위치된다. 일 실시예로, 본 발명은 반응용기(1)에는 복수개의 추가 유입구 및 유출구가 마련되며, 반응용기(1)의 복수개의 추가 유입구 및 유출구에 연결된 복수개의 가스 유동루프를 포함할 수 있다. 반응용기(1)의 추가 유입구 및 유출구는 반응용기(1)의 지름을 가로질러 가스 순환이 이루어지도록 위치한다. 또한, 반응용기(1)의 유입구 및 유출구는 반응용기(1)의 길이방향에 걸쳐서 나뉘어 마련된다. 본 발명은 반응기(1)를 통과하는 가스 유동의 길이를 줄임과 동시에(즉, 반응기(1)의 길이방향과 평행하기 보단 수직한 방향으로) 목재 더미를 관통하여 균등한 가스 유동이 이루어지게 함으로써 과도한 열 손실을 방지할 수 있다. 또한, 반응기(1)의 길이방향을 따라서 가스를 유동시키는 것보다 반응기(1)의 지름을 가로지르도록 유동시킴으로써 가스 유동의 조성 차이가 최소화할 수 있다. 더욱이, 반응기(1)의 지름을 가로질러 가스를 유동시키는 것은 반응기(1)의 길이 방향을 따라 유동시키는 것보다 압력 저하를 줄일 수 있다.

상기 이점은 큰 용량의 원목, 예컨대 빔이나 판재 등의 아세틸화에 적합한 반응기(1)에 적용될 수 있다. 일반적으로 이러한 반응기(1)는 아세틸화 용기로서 지름 대비 길이의 비율(L/D)은 2 내지 20, 바람직하게는 3 내지 10 이다. 상기 아세틸화 용기는 지름보다 훨씬 큰 길이를 가진다.(예컨대, 지름이 1 미터 내지 6 미터인 경우에 길이는 6 미터 내지 36미터이다.)

특히, 전술한 반응기(1)의 길이방향과 수직한 형태로 유입구 및 유출구를 형성했을 때 바람직하게는 복수개의 가스 유동루프가 구비될 수 있다. 바람직하게는 가스 유동루프는 반응용기(1)의 길이방향에 걸쳐서 나뉘어 질 수 있다. 더 바람직하게는 가스 유동루프는 가스 분배장치(예를 들어 분배판)와 연통되어 배열된다. 이때 가스 분배장치는 반응용기(1)의 내부와 유입구 사이에 위치한다. 가스 분배장치는 당업자에게 알려진 것으로서, 바람직하게는 다수개의 홀이 마련된 판을 말한다. 다른 예로서 얇은 판(lamellae), 위그(wigs), 정형 벽 디자인(shaped wall design), 제약장치(constraints), 배플(baffle)을 들 수 있다.

바람직하게는 가스 분배장치는 반응기(1) 내부와 제1 가스 유동루프 유출구 또는 다른 루프의 유출구 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라 특히 가스가 분배 장치를 통과하는 경우에 아세틸화되는 기판을 통과하는 가스 순환을 최적화하게 한다. 이는 기판이 빔 또는 널판지와 같은 큰 용량의 원목 더미로 구성되는 경우에 특별히 이점을 갖게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 반응기 시스템은 가스의 유동방향이 역으로 전환가능하다. 도 4는 전환기(S)를 이용해 가스 유동 방향을 역방향으로 전환한 것을 나타낸 것이다. 이러한 방향전환 방식으로 열과 물질 전달의 균질성이 최적화 될 수 있다. 상기 실시예에서 제1 가스 유동루프 또는 다른 루프의 유입구 및 유출구는 역방향으로의 전환에 따라 각각 반대의 의미를 갖게 된다(유출구가 유입구가 되며, 유입구가 유출구가 된다). 이때 가스 분배 장치를 반응용기(1)의 유입구의 양측에 모두 설치하여(개별적으로 유출구에 설치) 가스 분배장치로부터 전술한 이점을 얻을 수 있다.

이에 따라 본 발명에 따른 반응기 시스템은 반응용기(1)와 열교환기(2) 및 송풍팬을 임의적 순서로 연결하면서 다시 반응기(1)로 연결되는 관을 포함하는 가스루프 시스템을 포함한다. 밸브를 통해 가스 루프는 반응용기(1)로부터 차단되어 높은 압력의 액체가 가스 루프 시스템 및 송풍팬으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 가스 루프와 액체 사이에 차단이 없다면 아세틸화 반응 동안에 가스 루프에 액체가 채워지는 문제점이 초래될 수 있기 때문이다. 송풍팬에 높은 압력의 액체를 방지하기 위한 다른 방법으로 반응기(1) 상부에 송풍팬을 충분한 높이로 설치할 수 있다.

다른 실시예에서 열교환기(2)가 반응기(1) 외부에 위치하는 경우, 가스 유동 저항을 감소시키기 위해 순환 가스의 일부분만이 열교환기(2)를 통과하게 할 수 있다. 요구되는 열교환량이 총 열교환 용량의 최대치의 일부분에 불과할 때, 이는 전체 공정에서 특별히 중요하다. 이에 따라 에너지 효율성을 향상시키고 가스의 속도를 최대화 할 수 있다. 도 5는 가스의 유동을 열교환기(2)를 통과하는 부분과 열교환기(2)를 통과하지 않는 부분으로 전환하는 것을 나타낸 도면이다. 이는 밸브 SP1과 SP2에 의해 제어될 수 있다. 도 6은 열교환기(2)를 통과하는 부분과 열교환기(2)를 통과하지 않는 부분으로 전환하는 다른 실시예이다. 마찬가지로 밸브 V1과 V2에 의해 제어될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 열교환기(2)는 반응기(1) 내부에 위치할 수 있다. 이때, 열교환기(2)는 가스 분배장치로서의 기능을 추가로 할 수 있다. 열교환기(2) 내부에 위치하는 경우, 열교환기(2)는 반응기(1)의 유입구 및 유출구 모두에 위치될 수 있다.

열교환기(2)가 외부에 위치한 경우에도 별도로 반응기(1) 내부에 위치한 열교환기(2)를 포함할 수 있다.

도 7은 반응기(1) 내부의 목재 더미 양측에 모두 설치된 열교환기(2)를 나타낸 개략도이다. 열교환기(2)와 분배판은 하나의 판으로 결합될 수 있다.

일 실시예로, 본 발명의 반응용기(1)와 순환 가스루프를 포함하는 반응기 시스템은 추가 가스 유동관에 연결된 유출구를 더 포함할 수 있다. 여기서 추가 가스 유동관은 응축기 시스템에 연결된다. 일 실시예로 응축기 시스템은 응축되지 않은 가스/증기의 응축을 위해 반응용기(1)의 유입구에 하부에서 연결될 수 있다. 또한, 응축기 시스템은 응축기(3)에서 스크러버로 가는 공정 유동의 응축을 위해 반응용기(1)의 유출구에 연결될 수 있다.

일 실시예로 본 발명의 반응기 시스템은 추가적인 가스의 유동을 위한 유입구 및 유출구를 더 포함할 수 있다. 추가적인 가스는 비반응 아세틸화 유체나 반응 생산물의 회수를 위한 스위프 가스(sweep gas)로 가능하는 불활성 기체일 수 있다. 추가적인 가스를 위한 유입구 및 유출구는 앞서 설명한 순환 시스템의 필수적인 부분일 수 있다(예를 들면 가스의 주입은 적어도 하나의 송풍팬에 연결된 동일한 가스 유동관을 통해 안내될 수 있다). 다른 실시예로, 추가적인 가스를 위한 유입구 및 유출구는 반응기(1)에 서로 분리되어 마련될 수 있다. 추가적으로 불활성 기체는 질소 가스 일 수 있다.

아세틸화 공정에서 반응용기(1)에 압력 및 열을 가하는데 이용되는 불활성 기체는 반응을 제어할 때 냉각 목적으로도 사용될 수 있다. 가스 루프상에 열교환기(2)가 설치되는(바람직하게는 반응기(1) 외부에 설치되어) 본 발명은 이를 용이하게 달성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법은 다음과 같다. 먼저 리그노셀룰로오스 물질을 반응용기(1) 내부로 위치시키고 상기 리그노셀룰로오스 물질이 침지되도록 상기 반응용기(1)를 아세틸화 액체로 충진한다. 다음으로 상기 리그노셀룰로오스 물질에 아세틸화 유체를 함침시킨다. 다음으로 초과하는 아세틸화 유체를 제거하고 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화가 일어나도록 제1 가스 유동루프 및 추가 가스 유동루프를 통해 가열된 가스를 순환시켜 상기 함침된 리그노셀룰로오스 물질을 가열한다. 아세틸화 반응 동안 온도는 60℃ 내지 200℃, 바람직하게는 80℃ 내지 160℃로 조절한다.

아세틸화 반응 동안 함침된 리그노셀룰로오스 물질은 0 barg 내지 6 barg, 바람직하게는 0.5 barg 내지 4 barg 압력 하에 유지시킨다.

본 발명은 화학적 회수공정 단계를 더 포함할 수 있다. 화학적 회수공정 단계에서 반응하지 않은 아세틸화 유체를 리그노셀룰로오스 물질로 부터 회수하며, 또한 목재의 수분과 목재 그 자체로부터 반응에 의해 나오는 산성 부산물을 회수할 수 있다. 바람직하게는 스트리핑 가스에 의해 수행될 수 있다. 스트리핑 가스는 가열된다. 스트리핑 가스(과열된 아세트산 또는 아세트산 무수물)는 동일한 가스 루프, 예컨대 아세틸화 반응 동안 반응용기(1)를 통과하여 순환하는 순환 가스(공정 중에 아세트산 또는 아세트산 무수물이 포화된 질소와 같은 불활성 기체)로부터 비롯될 수 있다.

일 실시예로 본 발명은 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 단계 이후에 잔존하는 아세틸화 유체가 리그노셀룰로오스 물질로부터 배출되도록 상기 리그노셀룰로오스 물질에 가해지는 압력을 저하시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 아세틸화 유체 회수 공정의 초기 상태는 압력 저하 및 가열에 따른 증발에 의한 팽창에 의존한다. 이때 가스는 열을 제공하여 이러한 증발에 영향을 미친다. 더욱이 가스는 배출된 잔존 아세틸화 유체의 제거를 위한 스트리핑 가스로 기능한다. 이러한 회수 단계에서 사용되는 가스는 응축된다. 그리고 이러한 응축되는 가스는 전술한 순환 가스의 일부분일 수 있다.

반응용기(1)를 순환하는 (가열된)가스 유동의 일부분만 응축을 위해 분리됨에 따라 상당한 에너지상 이점을 얻을 수 있다. 분리되는 일부분의 양(volume)은 전체 건조 공정 중 50% 이하이다. 일반적으로 응축을 위해 분리되는 양은 화학적 회수 공정 중에 감소될 것이다. 예를 들면, 본래의 가스 유동으로부터 분리되는 유동비율은 1:30으로까지 낮아질 수 있다. 평균적인 비율은 1:2 내지 1:8, 바람직하게는 1:4 내지 1:6이다.

본 발명의 아세틸화 공정은 어떠한 리그노셀룰로오스 물질에도 적용가능하다. 여기서 리그노셀룰로오스 물질은 일반적으로 셀룰로오스와 리그닌을 포함하는 모든 물질을 말한다(부가적으로 헤미셀룰로오스와 같은 다른 물질도 포함). 리그노셀룰로오스 물질의 예로서 나무, 나무껍질, 양마, 대마, 사이잘, 황마, 작물 지푸라기(crop straws), 견과 껍질, 코코넛 껍질, 잔디, 곡물 겉껍질과 줄기, 옥수수 여물, 버개스(bagasse), 침엽수나 활엽수의 나무껍질, 옥수수 속대, 그 밖에 작물 부산물 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.

바람직하게는 리그노셀룰로오스 물질은 목재이다. 목재는 하드우드(hardwood) 또는 소프트우드(softwood)일 수 잇다. 일 실시예로 목재는 소프트우드로서 소나무, 전나무, 가문비 나무 일 수 있다. 일 실시예로 목재는 하드우드로서 북가시나무, 홍단풍나무, 독일 너도밤나무, 퍼시픽 알버스(Pacific albus), 포플러 나무, 오크나무, 단풍나무, 오리나무, 너도밤나무일 수 있다. 일 실시예로 목재는 소나무과 일 수 있다. 소나무과로서 라디에이터 소나무(radiata pine), 구주소나무, 남부 황 소나무일 수 있다.

리그노셀룰로오스 물질은 어떠한 형태도 가능하다. 예를 들면 파쇄된 물질(파쇄된 목재), 섬유화된 물질(섬유화된 목재), 목재 가루, 목재 칩, 파티클(particle), 목재 대팻밥, 목재 플레이크(wood flakes), 목재 스트랜드(wood strand), 목재 입자 및 나무, 나무줄기 또는 나뭇가지, 벗겨진 나무줄기 또는 나뭇가지, 보드판, 베니어판, 판재, 각재, 빔 또는 프로파일 등 그 밖에 어떠한 크기의 잘려진 목재도 될 수 있다. 본 발명의 반응기 시스템 및 개질방법은 바람직하게는 원목에 적용된다. 원목은 일반적으로 빔과 판재와 같이 비교적 큰 크기를 갖는 목재를 말한다. 원목은 적어도 한 치수에서 최소 10 cm 이상, 바람직하게는 1 m 이상의 길이를 갖는다. 바람직한 크기는 다음과 같다. 0.5 m 내지 6 m의 길이를 가지고, 두께는 5 mm 내지 200 mm, 바람직하게는 10 mm 내지 100 mm이고, 폭은 30mm 내지 500mm, 바람직하게는 50 mm 내지 250 mm이다.

반응용기(1)에 리그노셀룰로오스 물질을 투입시키기에 앞서, 리그노셀룰로오스 물질에 함유된 습기를 감소시킬 수 있다. 아세틸화 이전에 수분 함량은 바람직하게는 0.5% 내지 20%, 보다 바람직하게는 2% 내지 5% 일 수 있다.

아세틸화 유체에 의한 함침은 목재 또는 다른 리그노셀룰로오스 물질이 투입된 이후에 반응용기(1)가 진공인 상태에서 수행됨이 바람직하다. 다음으로, 진공상태를 유지한 채로 아세틸화 유체(아세트산 또는 아세트산 무수물)를 유입시켜 리그노셀룰로오스 물질이 완전히 침지되도록 한다. 반응기 시스템은 진공 연결부 및 진공 펌프를 포함할 수 있다. 진공 연결부는 반응용기(1)나 가스 루프에 각각에 설치되거나, 또는 둘 모두에 설치될 수 있다. 진공 연결부는 응축기(3), 가스/액체 분리기, 진공 펌프에 연결된다. 응축기(3)에서는 증기가 응축된다. 가스/액체 분리기에서는 응축된 액체가 불활성 기체로부터 분리된다. 진공 펌프는 반응기(1)를 낮은 압력 상태가 되게 함으로써 건조 속도를 증가시킬 수 있다. 진공 펌프는 적합한 어떠한 것이라도 무방하다.

다음으로, 압력은 불활성 기체(일반적으로 질소가스 또는 이산화탄소) 또는 압력 펌프를 이용해 증가된다. 또한, WO 2009/095687에 개시된 바와 같이, 당업자는 이를 통해 아세틸화 유체의 증기로 전체적으로 또는 부분적으로 포화상태가 됨을 알 수 있다. 압력 펌프에 의한 함침은 필요한 추가 아세틸화 유체를 공급하고 반응용기(1)에 압력을 증가시킨다. 다만, 높은 압력의 불활성 기체의 많은 양이 부분적으로 또는 전체적으로 아세틸화 유체 증기로 포화되는 것은 방지해야 한다.

함침 공정 이후에 초과하는 아세틸화 유체는 반응기(1) 및 함침 공정 이후에 초과하는 아세틸화 유체는 반응기(1)로부터 제거된다. 그리고 초과하는 아세틸화 유체는 리그노셀룰로오스 물질로부터 열을 전달받거나 전달할 수 있는 특정한 밀도를 갖는 유체(예컨대 부분적으로 포화된 질소)로 대체될 수 있다.

전술한 바와 같이, 반응기(1)를 통과하는 가스 유동은 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 반응을 촉진하기 위해 열을 가하는데 이용된다. 가열된 가스 온도범위는 60℃ 내지 200℃ 이다. 바람직하게는 70℃ 내지 180℃ 이다. 더욱 바람직하게는 순환하는 가스의 온도는 80℃ 내지 160℃ 범위이다. 압력 범위는 0 barg 내지 6barg 이며, 바람직하게는 0.5barg 내지 4barg 이다. 반응시간은 30 분(min) 내지 800 분 범위이며, 바람직하게는 100 분 내지 500 분 범위이다. 더욱 바람직하게는 150 분 내지 350 분 범위이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 방법의 공정도를 나타낸 것이다. 도 1에는 반응기(1), 열교환기(2), 응축기(3)이 도시되어있다. 반응기(1)에서 배출되는 가스 유동(a)은 열교환기(2)로 유입되는 가스 유동(b)과, 응축기(3)로 유입되는 가스 유동(d)으로 구분될 수 있다. 여기서, 열교환기(2)를 통과한 가스 유동(c)은 다시 반응기(1)로 유입된다. 부가적인(선택적인) 스위프 가스(sweep gas) 유동(g)이 반응기로 유입될 수 있으며, 응축기(3)로부터 스위프 가스(h)가 회수될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 개질 방법의 공정도를 나타낸 것이다. 가스 유동은 반응기(1)에서 응축기(3)로 유입되는 가스 유동(a)과, 응축기(3)에서 열교환기(2)로 유입되는 가스 유동(e)과, 열교환기(2)에서 다시 반응기(1)로 유입되는 가스 유동(f)으로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개질 방법의 공정도이다. 도 3의 반응기 시스템은 도 1의 반응 시스템에 재생 열교환기(4)를 더 포함한다. 재생 열교환기(4)는 응축기(3)로부터 가스 유동(i)이 유입되어, 열교환된 가스 유동(j)이 다시 반응기(1)로 배출된다.

도 4 내지 도 7은 가스 루프의 부분적 또는 전체적인 열교환을 위해 가스 유동 방향을 역방향으로의 전환하는 것을 나타낸 것이다.

도 4는 송풍팬에 유출입하는 가스 유동은 방향 변화없이 반응기에서의 유동방향이 역으로 전환된 것을 나타낸 반응기와 가스 루프 시스템을 나타낸 것이다.

도 5는 가스의 열교환이 요구되지 않는 상태에서 가스 루프의 압력 저하를 감소시킬 수 있는 반응기 및 가스 루프 시스템을 나타낸 것이다. 이는 전환판(SP1, SP2)을 열교환기로 유입되는 유로에 설치함으로써 가스의 전부 또는 일부가 열교환기를 통과하는 유로를 우회함으로써 달성할 수 있다. 열교환기는 전환판과 같은 내부 파이핑으로 인한 압력저하를 발생시키고, 가스 유동률이 감소될 뿐만 아니라 에너지 소비량을 줄일 수 있다.

도 6은 가스의 열교환이 요구되지 않는 상태에서 가스 루프의 압력 저하를 감소시킬 수 있는 반응기 및 가스 루프 시스템을 나타낸 것이다. 밸브(V1, V2)를 설치함으로써 열교환기를 통과하는 유로를 가스의 전부 또는 일부가 우회하게 할 수 있다.

도 7은 반응기 내부에 열교환기가 구비된 반응기와 가스 루프를 도시한 것이다. 열교환기와 분배판은 다공성 판으로서 하나로 결합되거나, 서로 분리된 다공성 판일 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 : 반응기 2: 열교환기
3 : 응축기 4 : 재생 열교환기
SP1, SP2 : 전환판 V1, V2 : 밸브
a, b, c, d, e, f, i, j : 가스 유동
g, h : 스위프 가스 유동

Claims

리그노셀룰로오스 물질이 유입되기에 적합하도록 개폐 가능한 개구부가 마련된 반응용기;
상기 반응용기 내부에 진공을 형성시키는 진공 연결부;
아세틸화 유체의 유출입을 위한 액체 유입구 및 액체 유출구; 및
제1 가스 유동 루프에 연결되는 가스 유입구 및 가스 유출구;
를 포함하며
상기 제1 가스 유동루프는 상기 가스 유입구 및 가스 유출구에 연결되는 가스 유동관을 포함하며,
상기 가스 유동관은 열교환기 및 적어도 하나의 송풍팬에 연결되며,
상기 제1 가스 유동루프의 유입구 및 유출구는 가스 순환이 상기 반응용기의 지름을 가로질러 이루어지도록 위치된 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화를 위한 반응기 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제1 가스 유동루프의 유입구와 상기 반응 용기 내부 사이에 위치한 가스 분배 장치에 상기 제1 가스 유동루프의 유입구가 연결된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 반응용기는 복수개의 유입구 및 유출구가 마련되며,
상기 반응용기의 유입구 및 유출구에 연결되는 복수개의 제1 가스 유동루프를 포함하며,
상기 반응용기의 유입구 및 유출구는 상기 반응용기의 지름을 가로질러 가스 순환이 이루어지도록 마련되며,
상기 제1 가스 유동루프 및 상기 반응용기에 각각 마련된 유입구 및 유출구는 상기 반응용기의 길이 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
제1 항에 있어서,
응축기 시스템이 연결된 추가 가스 유동관을 포함하며,
상기 반응용기는 상기 추가 가스 유동관에 연결된 유출구가 마련되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 반응용기는 상기 응축기 시스템의 하부에 위치하여 응축된 액체가 유입되는 유입구가 마련되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 진공 연결부는 상기 반응용기 및 상기 가스 유동루프 상부에 위치되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 반응용기 내부에 위치된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 열교환기는 복수개이며, 적어도 하나의 열교환기는 상기 가스 유입구의 측면에 위치하며, 적어도 하나의 열교환기는 상기 가스 유출구의 측면에 위치하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
제1 항에 있어서,
가스 유동 방향이 역으로 전환 가능하도록 설계된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
리그노셀룰로오스 물질을 반응용기 내부로 위치시키고, 상기 리그노셀룰로오스 물질이 침지되도록 상기 반응용기를 아세틸화 액체로 충진하는 단계;
상기 리그노셀룰로오스 물질에 아세틸화 유체를 함침시키는 단계; 및
초과하는 아세틸화 유체를 제거하고, 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화가 일어나도록 제1 가스 유동루프 및 추가 가스 유동루프를 통해 가열된 가스를 순환시켜 상기 함침된 리그노셀룰로오스 물질을 가열하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법.
(a) 리그노셀룰로오스 물질에 아세틸화 유체를 함침시키고, 초과하는 상기 아세틸화 액체는 제거하는 단계;
(b) 상기 함침된 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화가 일어나도록 가열된 가스를 유동시켜 상기 리그노셀룰로오스 물질을 가열시키는 단계;
(c) 잔존하는 아세틸화 유체가 상기 리그노셀룰로오스 물질로부터 배출되도록 상기 리그노셀룰로오스 물질에 가해지는 압력을 저하시키는 단계; 및
(d) 가스를 응축시킴으로써 배출된 잔존 아세틸화 유체를 제거하는 스트리핑 가스로 기능하도록 하는 단계;를 포함하며,
응축되는 상기 가스는 순환하는 가열 가스의 일부인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법.
제11 항에 있어서,
상기 리그노셀룰로오스 물질에 아세틸화 유체를 함침시키는 단계는,
상기 리그노셀룰로오스 물질이 반응용기 내부에 위치시킨 후 진공상태에서 이루어지며, 진공상태를 유지한 채로 상기 아세틸화 유체를 유입시키는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법.
제12 항에 있어서,
상기 리그노셀룰로오스 물질에 아세틸화 액체가 스며들게 하는 단계는,
상기 리그노셀룰로오스 물질이 완전히 침지되도록 상기 아세틸화 액체를 유입시키는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법.
제11 항에 있어서,
상기 리그노셀룰로오스 물질은 1미터 이상의 길이를 갖는 원목인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화 방법.
리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화를 위한 반응기 시스템의 이용 방법에 있어서,
상기 반응기 시스템은,
리그노셀룰로오스 물질이 유입되기에 적합하도록 개폐 가능한 개구부가 마련된 반응용기;
상기 반응용기 내부에 진공을 형성시키는 진공 연결부;
아세틸화 유체의 유출입을 위한 액체 유입구 및 액체 유출구; 및
제1 가스 유동 루프에 연결되는 가스 유입구 및 가스 유출구;
를 포함하며,
상기 제1 가스 유동루프는 상기 가스 유입구 및 가스 유출구에 연결되는 가스 유동관을 포함하며,
상기 가스 유동관은 열교환기 및 적어도 하나의 송풍팬에 연결되며,
아세틸화 공정에서 원목은 액체 아세틸화 매개체에 침지되는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 물질의 아세틸화를 위한 반응기 시스템의 이용 방법.