KR20170079306A - 바이오 디젤 제조용 반응기 - Google Patents

바이오 디젤 제조용 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오 디젤 제조용 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 비율로 유입된 원료와 촉매가 내부에서 혼합 및 반응공정을 거쳐 배출된 반응물에서 글린세린과 수분을 분리하고, 이를 정제하여 바이오디젤을 생산하도록 하는 바이오디젤 제조용 반응기에 있어서, 상기 반응기는 일정 높이의 고정프레임 일측에 설치되어 설정된 제어명령에 따라 일정 속도로 회전하는 구동모터; 상기 구동모터의 회전축에 연결되어 회전축의 회전력을 통해 회전되도록 상기 회전축에 수평하게 설치되는 구동축; 상기 구동축을 고정 지지하도록 구동축의 외주연을 일정 길이 감싸면서 고정프레임의 상부에 고정 설치되되 상기 구동축을 감싸는 내부에 냉각수 소통로가 형성되어 외부에서 냉각수가 유입되어 그 내부를 통과한 후 배출되면서 상기 구동축에서 발생되는 열을 냉각시키도록 구성되는 1차 지지부; 상기 1차 지지부의 후단 측 구동축의 말단에 결합되어 구동축과 함께 회전되면서 그 내부로 유입된 원료와 촉매를 강력하게 회전시키면서 혼합 및 반응공정을 거친 후에 생산된 반응물이 배출되도록 하는 혼합반응부; 상기 혼합반응부의 후단 측에 연결되어 원료 및 촉매가 각각 유입되는 원료유입구와 촉매제유입구가 외주연에 형성되고, 유입된 원료와 촉매가 내부에 형성된 원료유입로를 통과하면서 혼합되어 상기 혼합반응부의 일측 중심부로 유입되도록 하는 원료유입부;를 포함한 구성으로 이루어진다.

Description

바이오 디젤 제조용 반응기{Reactor using for Bio-diesel manufacturing}
본 발명은 바이오 디젤 제조용 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐식용유 등을 이용하여 바이오 디젤을 생산함에 있어서 그 제조공정 및 장치를 간단히 하여 생산설비의 설치 용이와 그 이용의 편리성을 증대하고 생산효율을 증대시킬 수 있도록 구성된 바이오 디젤 제조용 반응기에 관한 것이다.
환경오염문제의 대두와 화석연료의 감소에 따라 탈 석유화 에너지 정책이 대두되면서 다양한 형태의 대체 에너지가 개발, 상용화되고 있는 추세이다.
특히, 유럽 등 선진국에서는 바이오 에너지 사용에 대한 적극적인 정책을 입안, 총 에너지 중 일정 비율을 바이오 에너지를 사용할 수 있도록 규제함으로써 대체 에너지의 이용 및 바이오 에너지의 적극적인 사용에 대한 다양한 노력이 시도되고 있다.
바이오 에너지 중 경유를 대체할 친환경 연료로 주목받고 있는 바이오 디젤은 기름을 포함한 다양한 형태의 바이오매스로부터 생산이 가능하다.
바이오 디젤은 경유와 달리 약 10퍼센트의 산소를 포함하고 있는 함산소 연료로서 연소시 바이오 디젤에 포함된 산소로 인해 보다 완전한 연소가 일어나 기존 경유에 비해 대기오염물질을 40~60퍼센트 정도 적게 배출되는 것으로 알려져 있다.
또한, 이러한 바이오 디젤은 경유에 비해 이산화탄소 배출량이 훨씬 적어 대기환경 오염을 절감시킬 수 있는 유용한 효과를 갖고 있는 것으로 밝혀졌다.
바이오 디젤은 콩기름·유채기름·폐 식물기름·해조유(海藻油) 따위의 식물성 기름을 원료로 해서 만든 무공해 연료를 통틀어 일컫는 것으로, 주로 경유를 사용하는 디젤자동차의 경유 첨가제 또는 그 자체로 차량 연료로 사용된다.
식물성 기름은 차량 연료로 사용하기에 충분한 열량을 가지고 있지만 고분자물질이어서 점도가 너무 높아 차량의 디젤엔진에 직접 적용하는 것이 어렵기 때문에 화학반응에 의해 식물성 기름을 분해하여 저분자화함으로써 점도를 경유와 비슷한 수준으로 낮춰 주어야 한다.
모든 종류의 알코올이 사용 가능하지만, 보통 가격이 저렴한 메탄올을 이용해 3가의 지방산에 글리세롤이 결합한 트라이글리세리드로부터 글리세롤(글리세린)을 분리한 다음, 지방산에스터를 만들어 내는 에스테르 교환방법을 통하여 만들어지며, 이때 만들어진 지방산메틸에스테르(FAME)가 보통 말하는 바이오디젤이다.
일반적인 바이오 디젤 생산반응 공정은 아래 [그림 1]과 같이 매우 복잡한 공정으로 이루어질 뿐만 아니라 그 생산설비 규모가 커서 대단위 공간이 필요하고, 최종 생산품을 생산하는데 다소 많은 시간이 소요되는 단점이 있었다.
[그림 1] 바이오 디젤 생산반응 공정도
Figure pat00001
상기 공정블럭도에 도시된 바와 같이, 일반적으로 바이오 디젤을 생산하기 위해서는 원료와 촉매를 혼합한 후에 1차 반응, 2차 반응, 정치, 분리, 수세, 건조, 정제, 출하 등 매우 다양한 공정을 거쳐 바이오 디젤이 생산된다.
이러한 바이오 디젤의 원료로 식용 기름을 사용할 수 있는데, 식용 기름을 사용할 경우 바이오 디젤 연료의 수급불안과 가격 상승이 초래되어 폐 식용유 및 식용이 불가능한 유지식물의 기름을 바이오 디젤 원료로 활용할려는 연구가 가장 활발하게 이루어지고 있다.
특히, 폐식용유는 많은 불순물을 포함하고 있어서 이를 원료로 사용하기 위해서는 여러 단계의 전처리 기술 및 공정이 수행되어야 하며, 종래에 안출된 다수의 특허기술 또한 대부분 이러한 전처리 공정기술 및 이를 포함한 공정으로 이루어진 것에 관한 것이다.
본 발명 또한 폐식용유와 같은 재생 가능한 식물성 유지를 원료로 하여 바이오 디젤을 생산하기 위한 장치로, 이하에서는 폐식용유를 이용하여 바이오 디젤을 생산하는 방법 및 장치에 대해서 선행 특허기술 위주로 살펴본다.
먼저, 폐식용유를 가공하여 바이오 디젤을 생산하기 위한 종래의 기술 중 일 실시예로 특허등록 제10-858663호(등록일: 2008.09.09)의 “폐식용유를 이용한 바이오디젤의 제조장치 ”가 있다.
상기 “폐식용유를 이용한 바이오디젤의 제조장치 ”는 원통형 호퍼 형태로 제작되며, 지상에 설치될 수 있도록 지주체가 4개소 이상 설치되는 교반탱크를 형성하고, 상기 교반탱크의 하부에는 선택에 의해 개방 또는 폐쇄되는 배출구가 마련되고, 상기 교반탱크 내부의 잔량을 표시하는 투명체의 잔량표시부가 외부에 더 형성되며, 상기 교반탱크의 내부에는 외부전원의 인가에 의해 동작되는 히터선이 내장되고, 구동모터에 의해 동작되는 스크류는 회전축을 매개로 결합되고, 히터와 구동모터는 전기적으로 연결된 제어반에 의해 작동제어가 가능하게 구성된다.
따라서, 폐식용유에 메탄올과 알칼리 촉매제를 첨가하여 에스테르 교환방식의 화학반응을 이용하여 정제하고, 이후 연료로서의 품질을 향상시키기 위해 세정, 탈수 공정을 거쳐 경유 성상과 동일한 바이오 디젤의 제조를 완료하게 되는 폐식용유를 이용한 바이오 디젤의 제조장치를 제공하고 있다.
또 다른 종래의 일 실시예로, 특허등록 제10-929030호(등록일: 2009.11.20)의 “폐식용유를 이용한 바이오 디젤 제조장치 및 방법”이 공지되어 있다.
상기 “폐식용유를 이용한 바이오 디젤 제조장치 및 방법”은 폐식용유가 저장되는 유지공급탱크와; 메탄올과 가성소다가 혼합된 반응액이 저장되는 반응액 탱크와; 상기 유지공급탱크와 반응액 탱크로부터 각각 원료인 폐식용유와 반응액을 공급받는 반응탱크와; 상기 반응탱크의 둘레부에 장착되며 열원에 의해 상기 반응탱크 내의 원료를 가열하는 가열기와; 상기 반응탱크 내에 공급된 원료를 교반하는 교반기와; 냉각매체가 순환하며 상기 반응탱크에서 발생되는 메탄올 기체를 상기 냉각매체에 의해 냉각하여 액상으로 응축하는 응축기와; 그리고, 상기 응축기에 의해 응축된 액상 메탄올을 저장하는 메탄올 회수탱크로 구성된 바이오 디젤 제조장치를 이용하여 바이오 디젤을 생산할 수 있도록 구성되어 있다.
종래의 또 다른 일 실시예로, 특허등록 제10-1191351호(등록일: 2012.10.09)의 “바이오 디젤 제조장치”가 공지되어 있다.
상기 “바이오 디젤 제조장치”는 세척된 폐식용유나 미세조류 오일을 에스테르화시키기 위하여 상기 폐식용유나 미세조류 오일에 메틸올 및 산촉매를 공급하여 혼합하는 제1교반조와, 메탄올과 촉매를 혼합하여 메톡사이드를 생성하는 제2교반조와, 상기 제1교반조에서 생성된 에스테르와 상기 제2교반조에서 생성된 메톡사이드를 공급받아 글리세린 및 바이오 디젤을 생성하는 반응조와, 상기 반응조에서 분리되어 이송된 바이오 디젤을 증발시켜 저장하는 바이오 디젤 분리유닛과, 상기 반응조에서 분리되어 이송된 글리세린에 함유된 이물질을 증발시켜 분리한 후 상기 글리세린을 저장하는 글리세린 분리유닛을 포함한 구성으로 이루어져 유리지방산을 다량 함유한 폐식용유나 미세조류 오일로부터 고순도의 바이오 디젤을 추출함과 동시에 고순도의 글리세린을 추출할 수 있도록 하였다.
이와 같이, 종래에 안출된 폐식용유를 이용한 바이오 디젤제조 장치는 폐식용유의 전처리 공정을 다수의 장치를 이용하여 수행하도록 구성되어 바이오디젤 제조장치의 시설물이 커지고 구성이 복잡하며, 큰 설치 공간이 필요하는 등 그 규모가 크고 설치비가 많이 소요되어 경제적 부담이 클 뿐만 아니라 원료 투입에서부터 바이오 디젤이 생산되어 제품으로 출하되는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있었다.
- 특허등록 제10-858663호(등록일: 2008.09.09, 발명의 명칭: 폐식용유를 이용한 바이오디젤의 제조장치) - 특허등록 제10-929030호(등록일: 2009.11.20, 발명의 명칭: 폐식용유를 이용한 바이오 디젤 제조장치 및 방법) - 특허등록 제10-1191351호(등록일: 2012.10.09, 발명의 명칭: 바이오 디젤 제조장치) - 특허공개 제10-2015-80205(공개일: 2015.07.09, 발명의 명칭: 바이오 디젤 제조장치)
본 발명은 상술한 종래의 바이오 디젤 제조장치가 갖는 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 장치의 구성이 간단하여 제작 및 설치가 용이하고, 부피가 작아 설치공간에 특별한 제약이 없으며, 설치비용을 낮춰 이용자의 경제적 부담을 줄일 수 있도록 하는 바이오 디젤 제조용 반응기를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 바이오 디젤을 생산하기 위한 전처리 공정과, 전처리 공정후 바이오 디젤을 생산하는 공정을 하나의 장치로 이용할 수 있도록 하여 종래에 비해 설비의 구성을 대폭적으로 줄일 수 있도록 하여 최초 원료 투입에서 최종 바이오 디젤이 제조되는데까지 소요되는 공정이 간단하고, 바이오 디젤 생산에 소요되는 런타임이 짧아 생산성 및 장치의 가동효율을 높일 수 있는 바이오 디젤 제조용 반응기를 제공하고자 하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 바이오 디젤 제조용 반응기는 일정 높이의 고정프레임 일측에 고정 설치되어 설정된 제어명령에 따라 일정 속도로 회전하는 구동모터; 상기 구동모터의 회전축에 연결되어 회전축의 회전력을 통해 회전이 이루어지도록 상기 회전축에 수평하게 일정 길이 설치되는 구동축; 상기 구동축을 고정 지지하도록 구동축의 외주연을 일정 길이 감싸면서 고정프레임의 상부에 고정 설치되되, 상기 구동축을 감싸는 내부에 냉각수 소통로가 형성되어 외부에서 냉각수가 유입되어 그 내부를 통과한 후 배출되면서 상기 구동축에서 발생되는 열을 냉각시키도록 구성되는 1차 지지부; 상기 1차 지지부의 후단 측 구동축의 말단에 결합되어 구동축과 함께 회전되면서 그 내부로 유입된 원료와 촉매를 강력하게 회전시키면서 혼합 및 반응공정을 거친 후에 생산된 반응물이 배출되도록 하는 혼합반응부; 상기 혼합반응부의 후단 측에 연결되어 원료 및 촉매가 각각 유입되는 원료유입구와 촉매제유입구가 외주연에 형성되고, 유입된 원료와 촉매가 내부에 형성된 원료유입로를 통과하면서 혼합되어 상기 혼합반응부의 일측 중심부로 유입되도록 하는 원료유입부;를 포함한 구성으로 이루어진다.
특히, 상기 1차 지지부와 혼합반응부 사이에는 회전하는 구동축을 감싸면서 고정프레임에 구동축을 견고하게 지지하면서 중공형의 냉각수 소통로가 내부에 형성되어 외부 일측으로 냉각수가 유입된 후에 타측으로 배출되면서 상기 구동축 및 혼합반응부에서 발생되는 열을 식혀주도록 구성되는 2차 지지부가 더 구비된 구성으로 이루어진다.
또한, 상기 혼합반응부는, 밀폐된 하우징 내부에서 구동축의 말단에 결합되어 구동축과 함께 회전이 이루어지는 원판형의 회전체; 상기 회전체와의 사이에 일정한 틈새가 형성되도록 회전체와 일정거리 이격되게 수평 설치되고, 수평방향 중심부를 통해 외측에서 내측으로 원료 및 촉매가 유입되도록 그 중심부에 관통부가 형성되어 상기 원료유입부의 원료 유입로와 소통되도록 원료유입부 선단에 결합되어 밀폐된 하우징 내부에 고정 설치되는 고정체; 상기 회전체의 회전력으로 회전체와 고정체 사이의 틈새로 유입된 원료 및 촉매가 회전체 및 고정체 내면과의 충격에 의해 각 입자가 미세하게 분리되면서 혼합된 후에 회전체의 원심력으로 그 테두리 방향으로 분산, 배출된 반응물을 모아 일측에 형성된 연료 배출구를 통해 외부로 배출시키는 하우징;을 포함한 구성으로 이루어진다.
또한, 상기 혼합반응부의 고정체와 결합된 상기 원료유입부의 말단에는 상기 회전체와 일정 간격 유지하고 있는 고정체를 외측방향으로 당기거나 내측방향으로 밀어넣어 회전체와의 간격을 조절할 수 있도록 하는 유격조정부가 더 설치된 구성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 더불어, 상기 혼합반응부의 회전체와 고정체의 각 내면 또는 회전체의 내면에는 회전체의 회전시 고정체와 회전체 사이의 틈새로 유입된 원료 및 촉매 상호간 접촉 및 회전체와 고정체 내면과의 회전 마찰력을 향상시키도록 하는 요철형 마찰유도부가 형성되어 혼합반응물에 높은 전단에너지를 전달하여 입자 크기를 더욱 미세하게 만들면서 표면적을 늘려 반응성을 높일 수 있도록 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 바이오 디젤 제조용 반응기는 강력한 회전이 이루어지는 회전체 및 상기 회전체에서 일정간격 이격된 고정체와 사이에 형성된 틈새로 바이오디젤 원료 및 촉매가 혼입된 후에 회전체의 회전력에 의한 전단 및 캐비테이션화등이 일어나면서 빠른 시간에 미세하게 부서지면서 표면적이 증대되어 신속한 반응이 일어나도록 한다.
이로 인해 다양한 공정을 통해 바이오디젤 연료를 제조하는 종래의 시스템 장치에 비해 훨씬 줄어든 공정으로 신속한 바이오 디젤을 생산할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오디젤 제조용 반응기를 이용하여 바이오 디젤을 제조하는 공정 및 전처리 과정의 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 바이오디젤 제조용 반응기를 이용하여 바이오 디젤을 생산하는 공정 흐름도,
도 3은 본 발명의 특징부인 반응기의 외관상태도,
도 4는 도 3에 도시된 반응기의 일부 구성의 수직 절단단면도,
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 반응기에 원료의 유입 및 배출되는 과정을 발췌도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 바이오 디젤 제조용 반응기(이하, ‘반응기’라 약칭함)는 바이오 디젤을 제조하는 다수의 장치 중 공급된 원료와 촉매를 혼합시켜 신속하게 반응이 일어나도록 하는 가장 중요한 기능을 수행한다.
또한, 본 발명에 따른 반응기는 바이오 디젤을 생산하기 위해 이루어지는 전처리과정도 수행 가능하여 하나의 장치로 전처리 과정과 바이오 디젤 제조과정이 수행될 수 있도록 구성되어 장치의 바이오 디젤 제조에 필요한 전체 장치를 간단하게 구성할 수 있도록 하고, 신속한 바이오 디젤을 생산할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명에 따른 반응기에 그 특징이 있기 때문에 반응기 이전의 전처리과정과 반응기 이후의 후처리 과정에 대해서는 가능한 그 설명을 간략하게 하고, 본 발명의 특징부인 반응기 위주로 자세한 설명을 한다.
즉, 본 발명에 따른 반응기는 각각 별도로 저장된 원료 및 촉매가 각 저장탱크에서 반응기의 일측 원료유입부로 유입된 후에, 원료유입부의 내측에 형성된 원료공급로를 거치면서 혼합되고, 원료공급로를 통과하면서 혼합된 혼합물이 회전모터에 의해 회전이 이루어지고 있는 혼합반응부로 유입된 후에 원판 형상으로 이루어져 회전하는 회전체와 상기 회전체에 대응되게 설치된 고정체 사이의 틈새에서 회전체의 회전에 따른 회전마찰력으로 각 입자가 아주 미세하게 분리 및 분쇄되면서 증대된 표면적에 따라 신속한 반응이 이루어진 후에 회전체의 원심력에 의해 바깥쪽으로 배출된 후에 후처리공정을 거치면서 최종적인 바이오 디젤이 생산될 수 있도록 구성된다.
이하, 명세서에 첨부된 도면을 참고하면서 본 발명에 따른 반응기의 구체적인 구성 및 동작 내용에 대해서 자세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 바이오 디젤 제조용 반응기(100)를 이용하여 바이오 디젤을 생산하기 위한 전처리공정이 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 반응기를 이용하여 바이오 디젤을 생산하는 전체 공정이 플로우 차트로 간단하게 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 바이오 디젤을 제조하기 위한 그 전처리 공정은 바이오 디젤의 원료로 사용되는 폐식용유(Used cooking Oil, 이하 ‘UCO’로 약칭함)와 촉매제(메탄올+수산화칼륨, 메탄올+황산)가 각각 별도의 원료저장탱크(N1,N2,N3)에 저장되고, 각 저장탱크(N1,N2,N3)에서 각각의 원료공급라인(L1,L2,L3)을 따라 본 발명에 따른 반응기(100)로 유입되도록 구성되어 있다.
각각의 원료공급라인(L1,L2,L3)에는 도시된 바와 같이, 순환펌프(10)와 전자제어밸브(12), 유량계(14), 전자제어밸브(16), 수동제어밸브(16)가 순서대로 설치되어 상기 반응기(100)측으로 공급되는 원료의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 구성된다.
상기 복수의 원료공급라인(L1,L2,L3)에 구비된 복수개의 전자제어밸브(12,16)는 공급되는 원료 및 촉매가 반응기(100)로 투입되기 전에 설정된 온도조건에 만족할 때까지 배출밸브를 닫은 상태에서 순환밸브를 개방시켜 원료 및 촉매를 해당 원료저장탱크(N1,N2,N3))로 반복 순환시키면서 설정된 조건에 적합하도록 준비한 후에 순환밸브를 차단하고 배출밸브를 개방하여 반응기(100)로 공급될 수 있도록 제어하는 역할을 한다.
그리고, 상기 반응기(100) 이후에 구비된 전자제어밸브(20)는 반응기를 통과한 1차 반응물을 다시 원료저장탱크로 리턴시켜 적절한 온도가 유지된 경우에 분리탱크(24)로 배출되도록 하여 분리탱크에서 바이오 디젤과 글리세린 및 물을 분리한 후에 별도의 정제공정을 거쳐 제품으로 출하될 수 있는 후공정으로 공급되도록 구성된다.
또한, 1차 분리공정을 거친 바이오 디젤은 필요한 경우 다시 재 순환과정을 통해 반응기로 재 유입시켜 2차 분리 및 정제공정을 거치면서 바이오 디젤이 생산되도록 구성될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 반응기를 이용하게 되면 사전준비절차가 크게 복잡하지 않고 일정한 온도 조건만 맞춰진 후에 반응기로 바로 공급되어 고속으로 회전하는 혼합반응부를 통과하면서 원료와 촉매의 강력한 혼합 및 반응공정을 통해 신속하게 바이오 디젤 제조가 가능하도록 한다.
상기 반응기를 거친 바이오디젤은 도 2의 플로우차트에 도시된 바와 같이 분리및 정제공정을 거친 후에 저장 및 출하되는 것으로, 이러한 후처리 공정은 종래의 방법 및 기술을 이용하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 특징부인 반응기(100)를 발췌 도시한 외관상태도 및 일부 주요구성의 수직 절단 단면을 도시하고 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반응기(100)는 공급된 원료와 첨가제를 고속으로 회전시켜 반응을 촉진시킬 수 있도록 일정 높이로 설치된 고정프레임(170)의 상면 일측에 고정 설치되어 설정된 제어명령에 따라 일정 속도로 회전하는 구동모터(101)와, 상기 구동모터(101)의 회전축(103)에 연결되어 회전축(103)의 회전력을 통해 회전이 이루어지도록 상기 회전축(103)의 말단에 수평 연결되는 일정 길이의 구동축(110)이 구비된다.
또한, 상기 구동축(110)을 안정하게 고정 지지하도록 구동축(110)의 외주연을 일정 길이 감싸면서 고정프레임(170)의 상부에 고정 설치되는 1차 지지부(120)가 구비되고, 상기 1차 지지부(120)의 후단 측 구동축(110)의 말단에는 구동축(110)과 함께 회전하는 혼합반응부(140)가 구비되어 그 내부로 유입된 원료와 촉매를 강력하게 회전시키면서 혼합 및 반응공정을 거친 후에 회전하는 원심력에 의해 외부로 배출되도록 구성된다.
특히, 상기 1차 지지부(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 구동축(110)을 감싸는 내부에 중공형의 냉각수 소통로(121)가 형성되어 외주연 일측에서 외부로 돌출된 냉각수 유입구(122)를 통해 냉각수가 유입된 후에 그 내부를 통과하면서 상기 구동축(110)에서 발생되는 열을 냉각시키고 타측에 구비된 냉각수 배출구(123)로 배출되는 구조로 이루어진다.
그리고, 상기 혼합반응부(140)의 후단 측에는 원료 및 촉매제가 각각 유입되는 원료유입구(152)와 촉매제유입구(153,155)가 외주연에 형성된 원료유입부(150)가 구비되며, 상기 원료유입부(150)는 각 유입구로 유입된 원료와 촉매가 내부에서 혼합되면서 상기 혼합반응부(140) 측으로 이동하도록 그 내부에 중공형의 원료공급로(151)가 형성된 구조로 이루어진다.
이와 더불어, 상기 1차 지지부(120)와 혼합반응부(140) 사이에는 회전하는 구동축(110)을 감싸면서 상기 고정프레임(170)에 구동축(110)을 견고하게 지지하는 2차 지지부(130)가 더 구비된 구성으로 이루어진다.
상기 2차 지지부(130)의 내부에는 중공형의 냉각수 소통로(131)가 형성되어 외주연 일측에 구비된 냉각수 유입구(132)로 냉각수가 유입된 후에 외주연 타측에 구비된 냉각수 배출구(133)로 배출되도록 구성되면서 상기 구동축(110) 및 혼합반응부(140)에서 발생되는 열을 식혀줄 수 있도록 하는 냉각기능도 수행하도록 구성된다.
특히, 상기 혼합반응부(140)는 밀폐된 하우징(141) 내부에 위치하면서 구동축(110)의 말단에 결합되어 구동축과 함께 회전이 이루어지는 원판형의 회전체(142)와, 상기 회전체(142)와의 사이에 일정한 틈새(T)가 형성되도록 회전체(142)와 일정거리 이격되면서 상호 마주보도록 설치되는 원판형의 고정체(144)로 구성된다.
상기 고정체(144)는 그 수평방향 중심부를 통해 외측(원료유입부 측)에서 내측(회전체 측)으로 원료 및 촉매가 유입되도록 그 중심부에 관통부(147)가 형성되어 상기 원료유입부(150)의 내측 원료공급로(152)와 소통되도록 원료유입부(150)의 선단에 결합되어 밀폐된 하우징(141)의 내부에 고정 설치되는 구조로 이루어진다.
이와 같이 구성된 상기 혼합반응부(140)는 밀폐된 하우징(141) 내부에서 회전체(142)와 고정체(144) 사이로 유입된 원료 및 촉매가 상기 회전체(142)의 회전력으로 회전체(142)와 고정체(144)의 내면에 부딪히면서 그 충격에 의해 입자가 미세하게 분리되고 혼합된 후에 회전체(142)의 원심력으로 그 테두리 방향으로 분산, 배출되어 하우징(141)의 외주연에 형성된 한 개 이상의 반응물 배출구(148)를 통해 배출되어 분리탱크(도시안됨)으로 공급된다.
특히, 상기 혼합반응부(140)의 회전체(142)와 고정체(144)의 각 내면 또는 회전체(142)의 내면에는 요철형 마찰유도부(145)가 더 형성된 구조로 이루어져 회전체(142)의 회전시 고정체(144)와 회전체(142) 사이의 틈새(T)로 유입된 원료 및 촉매제의 상호간 접촉 및 회전체(142)와 고정체(144)의 내면과의 충돌을 더욱 증대시켜 신속한 원료의 미분화 가속 및 표면적 증대를 통한 신속한 반응이 이루어지도록 구성된다.
이와 더불어, 상기 반응기(100)의 최 외측단, 즉 상기 혼합반응부(140)의 고정체(144)와 결합된 상기 원료유입부(140)의 말단에는 상기 회전체(142)와 일정 간격 유지하고 있는 고정체(144)를 외측방향으로 당기거나 내측방향으로 밀어넣어 회전체(142)와의 간격을 조절할 수 있도록 하는 유격조정부(160)가 더 설치된다.
상기 유격조정부(160)는 도시된 바와 같이, 내측단이 개구되면서 그 개구부가 상기 원료유입부(150)측에 결합되고 내부가 빈 중공부(163)를 갖으면서 외측면이 밀폐된 고정부재(161)와, 상기 구동축(110)과 수평방향으로 상기 고정부재(161)의 중심부를 관통하여 설치되면서 그 내측단이 상기 원료유입부(150)의 외측단에 밀착되고 타측이 상기 고정부재(161)의 외측으로 일정길이 돌출되게 설치되는 유격조정볼트(162)가 구비된다.
또한, 상기 중공부(163)에 위치하는 유격조정볼트(162)의 외주연 좌우 양쪽으로는 조임과 풀림에 따라 상기 유격조정볼트(162)의 좌우 이동을 가능하게 하는 이중너트(164)와, 상기 고정부재(161)의 외측으로 돌출된 유격조정볼트(162)의 선단부에 결합되어 상기 이중너트(164)와 함께 조임과 풀림이 이루어지는 고정너트(165)로 구성된다.
따라서, 상기 고정부재(161)의 외측에 구비된 고정너트(165)를 풀고, 고정부재(161)의 내측 중공부(163)에 위치한 이중너트(164)를 풀거나 조여서 원료유입부 (150)의 내부하우징(154)을 외부하우징(156)의 외측으로 잡아당기거나 그 내측으로 밀어넣어 내부하우징(154)에 결합된 고정체(144)의 좌우 이동을 통해 회전체(142)와의 틈새(T)를 조절할 수 있도록 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 바이오 디젤 제조장치의 전후처리기 및 반응기는 별도로 구비된 제어조작부(30)에 의해 이루어지는 것으로, 이러한 제어조작부(30)의 구성 및 동작에 대해서는 그 작업내용에 따라 다양한 형태로 프로그래밍된 소프트웨어를 설치하여 구성 가능한 것으로, 이러한 구성은 당업자가 공지된 기술을 토대로 용이하게 안출 가능한 것이어서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상술한 본 발명에 따른 반응기(100)를 이용하여 바이오 디젤을 제조하기 위한 원료 및 촉매의 투입과 반응후 배출되는 과정이 도 5 내지 도 7에 일부 구성의 단면도와 함께 더욱 상세하게 도시되어 있다.
즉, 도 5와 도 6은 바이오 디젤 원료 및 촉매제가 유입되어 반응과정을 거쳐 배출되는 수직절단 단면도이고, 도 7은 혼합반응기의 전면에서 바라본 바이오 디젤 원료 및 촉매제의 유출입 상태를 전체적으로 도시하고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 바이오 디젤의 원료로 사용되는 UCO(F1)가 원료유입부(150)의 상단부에 구비된 원료유입구(152)로 유입되어져 그 내부의 원료공급로(151)를 거쳐 혼합반응부(140)로 유입되어져 타측에서 유입된 촉매제와 혼합, 반응이 이루어지게 되고, 회전체(142)가 회전하는 혼합반응부(140)를 통과하는 원료 및 촉매제는 서로 혼합, 반응되면서 혼합반응부(140)의 내측 틈새를 따라 테두리측으로 배출된다(Eout).
상기 UCO(F1)가 원료유입부(150)로 유입될 때, 원료유입부(150)의 타측에 구비된 촉매제유입구(155)로 촉매제(F3)가 유입되어 원료공급로(151)를 통과하면서 상기 UCO(F1)와 혼합이 이루어지게 된다.
또한, 원료유입부(150)의 타측에 구비된 또 다른 촉매제유입구(153)로는 제2촉매제(F2)가 유입된 후에 내측 원료공급로(151)를 거치지 않고 곧바로 혼합반응부(140)의 중심 내측(C1,C2)으로 진입되어 원료공급로(151)를 통해 고정체(144)의 관통공(147)으로 유입된 UCO(F1) 및 촉매제(F3) 혼합물과 혼합되면서 반응이 이루어지게 된다(도 6참조).
이때, 상기 혼합반응부(140)의 회전체(142)는 구동모터의 회전력을 전달받은 구동축(110)에 의해 일정 속도로 회전하고 있는 상태이므로 회전체(142)의 중심부에는 일정한 구심력이 작용하게 되면서 고정체(144)의 중심부에 형성된 관통공(147)으로 원료의 유입이 자연스럽게 이루어지도록 하고, 혼합반응부(140)의 중심으로 유입된 원료 및 촉매제는 회전체(142)와 고정체(144) 사이의 틈새로 유입되면서 혼합됨과 동시에 회전체의 회전력에 의한 마찰, 전단, 캐비테이션 등으로 인해 그 입자가 아주 미세하게 미분화되면서 신속한 반응이 이루어지게 된다.
특히, 상기 혼합반응부(140)의 회전체(142)와 고정체(144)의 내측면에는 마찰확대부(145)가 형성되어 있어서 고정체(144)의 중심부에서 유입된 원료 및 촉매제가 회전체(142)의 원심력에 의해 방사형으로 빠져나가면서 접촉되는 마찰력이 증대되고, 마찰력의 증대로 UCO(F1) 및 촉매제(F2,F3) 입자가 더욱 빨리 미분화되어 회전체(142)과 고정체(144) 사이의 틈새를 통과하면서 신속한 반응이 이루어지게 된다.
이와 같은 구성 및 구조로 UCO(F1) 및 촉매제(F2,F3)의 유출입 상태를 도 7에서 종합적으로 보여주고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 원료유입부(150)의 상면 중앙에 UCO(F1)의 원료유입구(152)가 형성되고, 상기 원료유입구(152)와 직각방향의 좌우 양측으로 촉매제 유입구(153,155)가 각각 형성된다.
따라서, UCO(F1)는 원료유입부(150)의 상방향에서 유입되고, 촉매제(F2,F3)는 원료유입부(150)의 양 측면에서 유입되며, 원료유입부로 유입되어 혼합반응부(140)를 통과한 반응물은 혼합반응부(140)의 좌우 양측에 구비된 연료 배출구(148)를 통해 배출(Eout)되어 분리탱크로 모아지게 된다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 바이오 디젤 제조용 반응기는 각각의 원료저장탱크에서 반응기로 유입된 후에 회전체와 고정체로 구성된 혼합반응부를 거쳐 시간당 2,000ℓ의 에멀션 연료를 생산할 수 있게 되며, 반응기로 투입되는 원료는 50~55℃가 유지된 상태로 공급되어 반응기에서 혼합, 반응이 신속하게 이루어지게 된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연할 것이다.
M1, M2, M3 : 원료저장탱크 L1, L2, L3 : 원료공급라인
U1, U2, U3 : 원료순환라인 M1, M2 : 촉매제 순환라인
10 : 정량펌프 12, 16, 20 : 전자제어밸브
14 : 유량계 18 : 수동제어밸브
30 : 제어조작부
100 : 반응기 101 : 구동모터
103 : 회전축 105 : 연결수단
110 : 구동축 120 : 1차 지지부
121 : 냉각수 소통로 122 : 냉각수 유입구
123 : 냉각수 배출구 130 : 2차 지지부
131 : 냉각수 소통로 132 : 냉각수 유입구
133 : 냉각수 배출구 140 : 혼합반응부
141 : 하우징 142 : 회전체
144 : 고정체 145 : 마찰확대부
147 : 관통공 148 : 연료배출구
150 : 원료 유입부 151 : 원료공급로
152 : 원료유입구 153,155 ; 촉매제유입구
154 : 내부하우징 156 : 외부하우징
157 : 촉매제 유입로
160 : 유격조정부 161 : 고정부재
162 : 유격조정볼트 164 : 이중너트
165 : 고정너트 170 : 고정프레임
T : 틈새

Claims (6)

  1. 일정 비율로 유입된 원료와 촉매가 내부에서 혼합 및 반응공정을 거치도록 한 후에 배출된 반응물질에서 글린세린과 수분을 분리하고, 글리세린이 분리된 반응물을 정제하여 바이오디젤을 생산하도록 하는 바이오디젤 제조용 반응기에 있어서,
    상기 반응기는,
    일정 높이의 고정프레임 일측에 고정 설치되어 설정된 제어명령에 따라 일정 속도로 회전하는 구동모터;
    상기 구동모터의 회전축에 연결되어 회전축의 회전력을 통해 회전이 이루어지도록 상기 회전축에 수평하게 일정 길이 설치되는 구동축;
    상기 구동축을 고정 지지하도록 구동축의 외주연을 일정 길이 감싸면서 고정프레임의 상부에 고정 설치되되, 상기 구동축을 감싸는 내부에 냉각수 소통로가 형성되어 외부에서 냉각수가 유입되어 그 내부를 통과한 후 배출되면서 상기 구동축에서 발생되는 열을 냉각시키도록 구성되는 1차 지지부;
    상기 1차 지지부의 후단 측 구동축의 말단에 결합되어 구동축과 함께 회전되면서 그 내부로 유입된 원료와 촉매를 강력하게 회전시키면서 혼합 및 반응공정을 거친 후에 생산된 반응물이 배출되도록 하는 혼합반응부;
    상기 혼합반응부의 후단 측에 연결되어 원료 및 촉매가 각각 유입되는 원료유입구와 촉매제유입구가 외주연에 형성되고, 유입된 원료와 촉매가 내부에 형성된 원료유입로를 통과하면서 혼합되어 상기 혼합반응부의 일측 중심부로 유입되도록 하는 원료유입부;를 포함한 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 지지부와 혼합반응부 사이에는 회전하는 구동축을 감싸면서 고정프레임에 구동축을 견고하게 지지하면서 중공형의 냉각수 소통로가 내부에 형성되어 외부 일측으로 냉각수가 유입된 후에 타측으로 배출되면서 상기 구동축 및 혼합반응부에서 발생되는 열을 식혀주도록 구성되는 2차 지지부가 더 구비된 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 반응기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합반응부는,
    밀폐된 하우징 내부에서 구동축의 말단에 결합되어 구동축과 함께 회전이 이루어지는 원판형의 회전체;
    상기 회전체와의 사이에 일정한 틈새가 형성되도록 회전체와 일정거리 이격되게 수평 설치되고, 수평방향 중심부를 통해 외측에서 내측으로 원료 및 촉매가 유입되도록 그 중심부에 관통부가 형성되어 상기 원료유입부의 원료 유입로와 소통되도록 원료유입부 선단에 결합되어 밀폐된 하우징 내부에 고정 설치되는 고정체;
    상기 회전체의 회전력으로 회전체와 고정체 사이의 틈새로 유입된 원료 및 촉매가 회전체 및 고정체 내면과의 충격에 의해 각 입자가 미세하게 분리되면서 혼합된 후에 회전체의 원심력으로 그 테두리 방향으로 분산, 배출된 반응물을 모아 일측에 형성된 연료 배출구를 통해 외부로 배출시키는 하우징;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혼합반응부의 고정체와 결합된 상기 원료유입부의 말단에는 상기 회전체와 일정 간격 유지하고 있는 고정체를 외측방향으로 당기거나 내측방향으로 밀어넣어 회전체와의 간격을 조절할 수 있도록 하는 유격조정부가 더 설치된 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 반응기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 혼합반응부의 회전체와 고정체의 각 내면 또는 회전체의 내면에는 회전체의 회전시 고정체와 회전체 사이의 틈새로 유입된 원료 및 촉매 상호간 접촉 및 회전체와 고정체 내면과의 회전 마찰력을 향상시키도록 하는 요철형 마찰유도부가 형성된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 반응기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 혼합반응부의 회전체와 고정체의 각 내면 또는 회전체의 내면에는 회전체의 회전시 고정체와 회전체 사이의 틈새로 유입된 원료 및 촉매 상호간 접촉 및 회전체와 고정체 내면과의 회전 마찰력을 향상시키도록 하는 요철형 마찰유도부가 형성된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오디젤 제조용 반응기.
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