WO2013089343A1 - 마이크로파 도파관을 이용한 튜브방식 바이오디젤 제조장치 - Google Patents

마이크로파 도파관을 이용한 튜브방식 바이오디젤 제조장치 Download PDF

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WO2013089343A1
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microwave reactor
reaction
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김화경
이곤열
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    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a continuous flow heating tube type biodiesel production apparatus using a microwave waveguide, and more particularly, an ester in the presence of a catalyst while heating a microwave in a continuous rotational flow of a mixture of vegetable or animal fats and alcohols through a tube.
  • the present invention relates to an apparatus for preparing biodiesel through a reaction.
  • Diesel oil is relatively inexpensive among various fuels obtained from crude oil and thus has an advantage in terms of cost, whereas air pollution occurs after combustion compared to other fuels.
  • bio-fuel is a sustainable fuel produced from bio-mass, an organic material produced by living organisms.
  • biofuels include bio-ethanol, methanol, biodiesel, and methane gas.
  • biodiesel produced from animal fats, vegetable fats or regenerated fats is a means of transportation. Is the most widely used fuel for diesel engines.
  • Biodiesel oil is an esterified oil produced by reacting renewable fats such as vegetable oil, animal fat, and waste cooking oil with alcohol in the presence of an acidic catalyst or a basic catalyst, and is mixed with light oil because its properties are similar to those of diesel oil. It can be used for diesel engines or alternatively to diesel.
  • Biodiesel is a fatty acid ester obtained by separating glycerol from an alcohol and triglyceride mixture using an esterification process or a transesterification process.
  • the esterification process generally employs a catalyst, heats and pressurizes the reaction, and adds ultrasonic waves or microwaves to maximize the reaction efficiency.
  • RF or microwave is a common term that refers to high frequency electromagnetic waves and has a frequency range of 1 MHz to 100 GHz and an electromagnetic heater uses a frequency range of 400 MHz to 6 GHz.
  • a microwave reactor is used as a device capable of heating a substance or performing a chemical reaction using the dielectric heating characteristics of the microwave.
  • the principle of heating a material by microwaves is the frictional heat of polar molecules due to polarization and interfacial polarization of the material by microwaves.
  • microwaves have a frequency range of 0.3 to 300 GHz and a wavelength of 1 mm to 1 m, and have been used in the fields of satellite communication, information communication, etc., and are also widely used in household microwave ovens, food processing, and material drying. It is used.
  • microwaves have been widely used in the decomposition and synthesis reactions of various materials, and these methods enable rapid direct heating and reaction promotion due to the characteristics of microwaves, which can significantly reduce the reaction time and allow solvent-free synthesis and do not use fossil fuels. It is economical and environmentally friendly.
  • microwave reactors have been applied to almost all heating and chemical reactions because they can achieve a reaction rate improvement of up to thousands of times compared to conventional reactors of indirect heating.
  • the esterification reaction in the present invention can also be activated by the reactant or catalyst by the microwave to promote the ester reaction can be obtained with a high yield by increasing the processing speed compared to conventional heating.
  • the size of the reactor must be large, and the microwave generator must be largely powered.
  • the microwave generator has a high frequency, so the parasitic components act largely to increase the loss, and the loss is converted into heat, thereby lowering the conversion efficiency.
  • large-power microwave generators generally use small amplifiers in parallel, so that not only the loss due to the coupling, but also a cooling device to remove the generated heat must be added in proportion to the increased power. Cost.
  • the large-power microwave generator has a problem in that the production cost of biodiesel is increased because it is not mass produced and the price is expensive because it is manufactured by a custom-made method without special demands such as military use or base station use.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2011-046803
  • FIG. 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2011-046803
  • the production time (tact time) increases as a preparation time, and the product decomposes or deteriorates when microwave heating is performed for a long time. Occurs.
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2007-00415178 discloses a method of preparing an reactant mixture by mixing a carboxylic acid and an alcohol, and applying an RF or microwave energy to emulsify a heterogeneous acid catalyst, thereby preparing an alkyl ester.
  • this also uses a single reactor as in Patent Document 1, there is a disadvantage in that it is difficult to fine-tune the microwave in the reactor, and also can not provide a separate microwave to each of the reactants or the catalyst individually.
  • the present invention inputs a fat and oil and a catalyst as a reactant to a microwave reactor module composed of a plurality of microwave reactors, and the plurality of microwave reactors are each microwave reactor connected in series to react the reactants.
  • Another object of the present invention is to provide a biodiesel production apparatus by continuous reaction using a plurality of low-power microwaves, without the need for a large-capacity microwave device, using a plurality of reactors, the frequency of the microwaves in each reactor or Since the output can be changed, the device is simple and the production cost is low, so it is easy to control the process conditions according to the raw material or the catalyst.
  • the microwave reactor module is composed of a plurality of microwave reactors, each microwave reactor is separated from the neighboring reactor, the inlet for receiving the mixed liquid of the mixed raw material and the catalyst on one side and the other side of the reactor After the mixed liquid reacts with the microwaves, the mixture includes an outlet for flowing out the reaction liquid to the next microwave reactor and a plurality of connecting tubes in communication with the outlet of the nth reactor and the inlet of the next (n + 1th) reactor.
  • the microwave reactor includes a microwave generator for generating microwaves and supplying them to the reactor, a launcher for guiding the generated microwaves to a plunger, and a plunger that is impedance-matched and resonates with the launcher.
  • a heat exchanger is installed between the catalyst mixer and the microwave reactor module, and the heat exchanger raises the temperature of the input mixture through heat exchange using the reaction product exiting the final microwave reactor of the microwave reactor module. It is characterized by.
  • the microwave reactor module is characterized in that the plurality of microwave reactors are arranged up and down to rotate flow.
  • the plunger is characterized in that it is a single mode cavity.
  • the microwave reactor module is composed of 30 microwave reactors, characterized in that the flow at a flow rate of 1 l / sec using a connecting tube of 25mm inner diameter.
  • Each microwave reactor according to the invention is connected in series to provide an apparatus in which the esterification reaction is carried out until the reactants pass through the first microwave reactor and through the last microwave reactor, thereby activating the reactants evenly to produce biodiesel.
  • the effect is to increase the yield by more than 10%.
  • the production cost is lower than that of the existing large-capacity single generator, and biodiesel can be manufactured economically, thereby reducing the production cost.
  • 1 is a conventional biodiesel manufacturing apparatus using microwaves.
  • FIG. 2 shows an example of a biodiesel manufacturing apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 shows a microwave reactor module according to the invention.
  • Microwave reactors using a plurality of continuous reaction processes are collected in 5-100, preferably 30 reactors to form one microwave reactor module (10).
  • microwave reactor module 10 By connecting a plurality of reactor modules 10 in parallel or in series, biodiesel devices can be manufactured on a larger scale.
  • a heat exchanger 20 may be installed between the catalyst mixer and the microwave reactor module 10.
  • Types of heat exchanger may be water injection type, double tube type, multi-pin type tube type, tube type type, and tube type type.
  • a high temperature reaction product flowing out of the final microwave reactor of the microwave reactor module 10 may increase the temperature of the feedstock mixture through the heat exchanger 20.
  • the temperature of the mixture in the catalyst mixer is increased by 5 to 15 degrees, thereby saving energy by about 25%, thereby providing a lower manufacturing cost of biodiesel.
  • a buffer storage tank 30 may be included for temporarily storing the input mixture or the final reactant, and the pump 40 is used to input the mixture raw material.
  • the pretreatment storage tank uses known equipment.
  • the oil storage tank is where vegetable oil or animal oil is stored, where oil refers to vegetable oil, animal oil as well as fats, waste oils or greases, rendered products, or any mixture thereof.
  • Vegetable oil refers to lipids derived from wastes, emissions and residues from processing of these materials, such as soapstock, as well as plant sources such as crops and forest products, such as soybeans, corn, sunflowers, palms, nuts ( nut, safflower, olive, cotton, linseed, mustard seed, rapeseed, canola, peanut, coconut, castor seed, tall oil and combinations thereof.
  • Animal oil refers to lipids derived from wastes, effluents and residues from processing of these materials, as well as animal sources, as raw or rendered animal fat, brown grease, white grease, yellow grease Animal tallow, pork fat, pork oil, chicken fat, chicken oil, sheep fat, sheep oil, bovine fat, bovine oil and combinations thereof.
  • An alcohol storage tank is where alcohol is stored, where alcohol is meant to refer to a hydrocarbon compound containing one or more hydroxyl groups and includes anhydrous alcohols such as methanol, ethanol, propanol and butanol.
  • the mixed raw material from the oil holding and alcohol storage tank is mixed with the catalyst in the catalyst mixer and transferred by the pump to the microwave reactor module 10 where the esterification reaction takes place.
  • the catalyst is for emulsifying the reactants and may be a heterogeneous catalyst or a homogeneous catalyst.
  • Heterogeneous catalyst means a catalyst that is different from the reactant
  • homogeneous catalyst means a catalyst that is the same phase as the reactant, as well as a fixed enzyme catalyst as well as hydroxides, group 1 or Silicates of Group 2 metals, carbonates of Group 1 or Group 2 metals, strong anion exchange resins in hydroxide form, aluminum and magnesium oxides, zeolites in acid form, strong cation exchange resins in hydrogen form, Lewis acids and mixtures thereof It may include both acid and alkali catalyst made.
  • the form of the catalyst mixer may also be in the form of a stationary phase deformable in any form, or in a continuous stirred batch form, a slurry phase mixer or other suitable form.
  • the mixture of the mixed raw material and the catalyst is introduced into the microwave reactor module 10 through a pump.
  • the pump is installed on a circulation path to flow raw materials, reaction intermediates and products.
  • the microwave reactor module 10 is composed of a plurality of microwave reactors 16 as shown in FIG. 3 and each microwave reactor 16 receives a mixture of the mixed raw material and the catalyst on one side of the reactor 16.
  • the inlet 11 and the other side of the reactor 16, the mixed solution reacts with the microwave and then the outlet 12 for outflowing the reaction solution to the microwave reactor 16 of the next step and the connecting tube 13 in communication with them ).
  • the material of the connecting tube is not limited, such as metal or plastic, but a Teflon material is preferable.
  • the microwave reactor 16 is a kind of microwave cavity resonator and impedance-matched with a waveguide for inducing microwaves generated in the microwave generator to be resonated in a single mode so that the raw material mixture absorbs energy and undergoes an esterification reaction.
  • the microwave reactor 16 of the present invention is provided with a microwave generator for generating a microwave at one end, the preferred microwave generator of the present invention can use a plurality of microwave generators of 700W to 5KW, more preferably 1.5KW to 3KW Use a micro generator.
  • a small microwave generator according to the present invention it is possible to reduce the production cost at a much lower price than a single generator of 20kW or more.
  • a waveguide WR340 launcher 15
  • a WR340 reactor 16 including a plunger (cavity plunger) and an inner diameter 25mm tube (13)
  • mixed raw materials When the specific heat of is 0.6, it is sufficient to flow at a flow rate of 1 L / sec to finally obtain a reaction temperature of 60 to 65 ° C. Therefore, if the temperature of the mixed raw material passed through the heat exchanger 20 is 25 ⁇ 30 °C heating for about 35 seconds to obtain the final reaction temperature and 30 reactor 16 can secure a production amount of about 45l per minute .
  • the total length of the tube is about 35m. Temperature can be monitored by attaching a temperature sensor to each of the reactors 16 or 2-5 units.
  • frequencies of 915 MHz, 2450 MHz, and 5800 MHz which are unlicensed bands (ISM bands), which are not licensed, may be used. It is possible to use a microwave generator for generating a variable frequency so as to resonate at the resonance frequency of each reactant.
  • the launcher 15, which is installed at one end of the microwave reactor 16 and guides the microwaves generated by the microwave generator to the microwave reactor 16, may be provided.
  • the preferred size of the waveguide is WR340.
  • the waveguide may be mirror-treated as necessary to increase the reflection efficiency of the microwaves.
  • the outlet 12 of the microwave reactor 16 is communicated through the tube with the inlet 11 of the microwave reactor 16 of the next stage so that each microwave reactor 16 is arranged in series.
  • the reactants and catalyst pass through each reactor 16 and can be activated by microwaves.
  • each microwave reactor 16 in the microwave reactor module 10 may be provided with a gas outlet in the upper portion of the reactor 16, in this case, each of the reactor 16 or every 2-5 filter outlet can be installed have.
  • Each microwave reactor 16 in the microwave reactor module 10 is driven by an independent power source, and the frequency and power (power) generated by each microwave generator may vary. Therefore, the biodiesel manufacturing apparatus of the present invention has an advantage in that each of the reactors 16 can be adjusted to be adjustable in accordance with the process conditions and the frequency desired by the user.
  • the esterification reaction of the mixture forcedly flowed by the pump starts to be accelerated while the user generates a constant frequency adjustable by the microwave generator for generating microwaves and heats the same. Since the reactor 16 is a continuous process, when a predetermined time passes, the mixture of the raw material and the catalyst passes through the tube through the outlet port 12 of the first microwave reactor 16 and passes through the tube of the second microwave reactor 16. Inflow to the inlet (11). A partition wall is formed in the reactor 16 between the inlet 11 and the outlet 12 in each reactor 16 so that the reaction mixture introduced from the inlet 11 does not flow directly into the outlet 12, and also the reaction mixture Make it easy to stir. The esterification reaction can then be activated in the second microwave reactor 16.
  • the inlet 11 and the outlet 12 each have an electromagnetic shielding filter tube to filter foreign substances, and this eliminates the mutual interference of the microwaves generated by the microwave generators installed in the respective reactors 16 and for each reactor 16. It serves to heat independently.
  • the above reaction refers to an esterification reaction for producing an alkyl ester by alcohol and carboxylic acid, and includes a transesterification reaction between an alcohol and an ester which forms an alkyl ester including an alkoxyl or acyl group exchange.
  • the reaction product passed through the microwave reactor 16 of the last order passes through the heat exchanger 20.
  • the heat exchanger 20 may increase the temperature of the oil and alcohol mixture as described above, and may lower the temperature of the reaction product exiting the microwave reactor 16. Through this, the reaction product may be lowered in temperature by 5 to 20 degrees.
  • the centrifuge may be a conventional centrifuge used in the related art, and serves to separate biodiesel and glycerol.
  • the biodiesel and glycerol separated by the centrifuge are purified through a biodiesel purifier and a glycerol purifier, respectively, to prepare biodiesel and glycerol.
  • the present invention can be applied to a biodiesel manufacturing apparatus. Specifically, the present invention can change the frequency or output of the microwave in each reactor, the device is simple, it is easy to control the process conditions according to the raw material or catalyst, and can produce biodiesel economically, There is availability.

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Abstract

본 발명은 튜브방식 유동 바이오디젤 제조장치에 관한 것으로서, 동물성 유지 또는 식물성 유지가 저장되는 유지 저장탱크, 알코올이 저장되는 알코올 저장탱크, 상기 유지 저장탱크와 알코올 저장탱크로부터 혼합된 혼합원료를 촉매와 혼합시키는 촉매혼합기, 상기 촉매혼합기로부터 나온 혼합물이 유동하면서 에스테르화 반응이 이루어지는 마이크로파 반응기 모듈, 상기 혼합원료와 촉매 및 반응생성물을 이송시키기 위한 펌프 및 상기 반응기 모듈을 통과하여 반응을 완료한 반응생성물을 분리하는 원심분리기를 포함하는 바이오디젤 제조장치에 있어서, 상기 마이크로파 반응기 모듈은 복수의 마이크로파 반응기들로 이루어지며, 각각의 마이크로파 반응기는 일측면에 상기 혼합원료와 촉매의 혼합액을 받아들이는 유입부 및 상기 반응기의 타측면에 상기 혼합액이 마이크로파와 반응한 후 다음 단계의 마이크로파 반응기로 반응액을 유출하는 유출부 및 n번째 반응기의 유출부와 그 다음 단계(n+1) 반응기의 유입부와 연통되는 복수의 연결튜브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로파 도파관을 이용한 튜브방식 바이오디젤 제조장치
본 발명은 마이크로파 도파관을 이용한 연속유동 가열 튜브방식 바이오디젤 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 식물성 또는 동물성 유지와 알코올의 혼합원료를 튜브를 통하여 연속 회전 유동시키면서 마이크로파로 가열하면서 촉매의 존재하에 에스테르화 반응을 통해 바이오디젤을 제조하는 장치에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 디젤엔진을 포함하는 산업기계들과 차량의 생산이 증가하여 이들의 원료로 사용되고 있는 디젤유에 대한 소비도 증가하고 있다. 디젤유는 원유로부터 얻어지는 여러 가지 연료 중에서 비교적 가격이 저렴하여 비용적 측면에서는 장점을 가지는 반면 다른 연료에 비해 연소 후 대기오염이 발생하는 문제가 있다.
현재 우리가 사용하고 있는 에너지원은 대부분 석유, 석탄 등과 같은 광물성 연료이므로 에너지 수급, 환경오염 등 많은 문제를 노출하고 있다. 따라서 이를 해결하기 위한 다양한 형태의 대체 에너지원 개발 노력이 활발하게 이루어지고 있으며, 그 중에 하나가 생물체가 만들어내는 유기물인 바이오매스(bio-mass)로부터 생산되는 지속가능한 연료인 바이오연료(bio-fuel)가 있다. 바이오연료의 종류로는 바이오에탄올(bio-ethanol), 메탄올(Methanol), 바이오디젤(bio-diesel), 메탄가스 등이 있으며, 이중 동물성 유지, 식물성 유지나 또는 재생유지로부터 만들어지는 바이오디젤이 운송수단의 연료, 즉 디젤 엔진의 연료로 가장 널리 사용되고 있다.
바이오디젤유는 식물성 기름, 동물성 지방 및 폐식용유와 같은 재생가능한 유지를 산성 촉매 또는 염기성 촉매 존재하에서 알코올과 반응시켜 생성하는 에스테르화 기름으로서, 디젤엔진의 원료인 경유와 물성이 유사하여 경유와 혼합하여 사용하거나 또는 경유를 대체하여 디젤엔진에 사용할 수 있다.
바이오디젤은 알코올과 트리글리세리드 혼합물로부터 에스테르화 공정 또는 트랜스에스테르화 공정을 이용하여 글리세롤을 분리한 지방산 에스테르이다. 에스테르화 공정은 일반적으로 촉매를 이용하고 가열 및 가압하여 반응시키는데 반응효율을 극대화시키기 위하여 초음파 또는 마이크로파를 가한다.
한편, 에스테르화 반응에 사용된 다량의 촉매가 바이오디젤에 잔류할 경우 엔진의 부식 및 노즐의 막힘 현상이 발생하고, 폐유에 유리지방산이 있을 경우 촉매에 의한 비누화 반응이 일어날 수 있으므로 전처리로 지방산을 제거하거나, 바이오 디젤 생산 후 세척수로 비누성분을 세척하여 제거하는 등 적절한 처리를 해야 하는 문제점이 있어, 초임계 알코올 사용한 에스테르 교환반응이 개발되었으나, 생산 단가 등의 측면과 물성 및 순도 변화 등 생산하기 곤란한 문제점이 있다.
RF 또는 마이크로파는 높은 주파수의 전자기파를 지칭하는 통상적인 용어로서 1MHz에서 100GHz 범위를 가지며 전자기파 가열기로는 400MHz에서 6GHz 주파수 범위를 사용한다.
일반적으로 마이크로파를 이용하는 반응기는, 마이크로파의 유전가열 특성을 이용하여 물질을 가열하거나 화학반응을 수행할 수 있는 장치로 활용된다. 마이크로파에 의해 물질을 가열하는 원리는 마이크로파에 의한 물질의 극성분극화와 계면분극화에 기인한 극성분자들의 마찰열이다. 일반적으로 마이크로파는 주파수가 0.3 ~ 300GHz, 파장은 1mm ~ 1m 범위의 영역에 속하며, 위성통신, 정보통신 등의 분야에 사용되어 왔으며, 또한, 가정용 전자레인지나 식품가공, 물질건조 등의 분야에도 널리 사용되고 있다. 최근에는 마이크로파를 다양한 물질의 분해 및 합성 반응에서 널리 사용하고 있으며, 이러한 방법은 마이크로파의 특성상 급속 직접가열 및 반응촉진이 가능하여 반응 시간을 현저히 줄일 수 있으면서 무용매 합성도 가능하고 화석연료를 사용하지 않기 때문에 경제적이면서 친환경적인 장점이 있다.
일반적으로 마이크로파 반응기는 간접 가열방식의 기존 반응기에 비해 최대 수천 배까지의 반응속도 향상을 이룰 수 있었기 때문에 거의 모든 가열 및 화학적 반응에 적용되어 왔다.
따라서 본 발명에서의 에스테르화 반응도 마이크로파에 의해 반응물이나 촉매가 활성화되어 에스테르 반응이 촉진될 수 있어 종래의 가열과 비교하여 처리속도의 증가로 높은 수율을 얻을 수 있다.
마이크로파를 이용하여 바이오디젤을 대량생산하기 위해서는 반응기의 크기가 커야하고, 마이크로파 발생장치도 대전력화되어야 한다. 일반적으로 마이크로파 발생장치는 주파수가 높기 때문에 기생성분이 크게 작용하여 손실이 증대되고 이러한 손실은 열로 변환되어 다시 변환효율을 저하시킨다. 또한, 대전력 마이크로파 발생장치는 일반적으로 소형 증폭기를 병렬로 결합하여 사용하므로 결합에 의한 손실뿐만 아니라 발생된 열을 제거하기 위한 냉각장치가 증대된 전력에 비례하여 추가되어야 하기 때문에 이를 위한 전력과 추가 비용이 소요된다.
또한, 대전력 마이크로파 발생장치는 군용, 기지국용 등 특수한 용도 외에는 수요가 없어 주문생산 방식으로 제작되기 때문에 대량생산이 안 되고 가격도 고가이기 때문에 바이오디젤의 제조 생산비가 상승하는 문제가 있다.
종래의 바이오디젤 제조장치는 도 1과 같은 특허문헌 1(일본공개특허 제2011-046803호)에서 제안된 것으로서, 마이크로파를 이용한 반응조와 반응조에서 생성된 반응물과 미반응 알코올을 분리하는 분리기를 구비한 바이오디젤 연료 제조장치가 있으나, 단일 반응조를 사용하여 반응이 완료된 후에 새로운 원료를 투입하여야 하기 때문에 준비시간으로 생산시간(tact time)이 늘어나고, 장시간 마이크로파 가열을 할 경우 생성물이 분해되거나 열화되는 문제점이 발생한다.
또한 특허문헌 2(한국공개특허 제2007-0041518호)에서 카복실산과 알콜을 혼합하여 반응물 혼합물을 제조하고 이에 불균일 산 촉매를 유화하여 RF 또는 마이크로파 에너지를 인가하여 알킬 에스테르를 제조하는 방법이 제시되어 있으나, 이 또한 특허문헌 1에서와 마찬가지로 단일 반응조를 사용하며, 반응기내 마이크로파의 미세조절이 어렵고 또한 반응물 각각 또는 촉매에 개별적으로 별개의 마이크로파를 제공할 수 없는 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 복수의 마이크로파 반응기들로 구성되는 마이크로파 반응기 모듈에 반응물인 유지와 알코올 및 촉매를 투입하며, 상기 복수의 마이크로파 반응기는 각각의 마이크로파 반응기가 직렬로 연결되어 반응물이 최초의 마이크로파 반응기를 통과하여 마지막 마이크로파 반응기를 통과할 때까지 에스테르화 반응이 수행되는 장치를 제공함으로써, 바이오디젤의 생산 수율을 제고하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 다수의 저전력의 마이크로파를 이용한 연속반응에 의한 바이오디젤 제조장치를 제공함으로써, 대용량의 마이크로파 장치를 필요로 하지 않고, 복수의 반응기를 사용하며, 각각의 반응기내 마이크로파의 주파수 또는 출력을 변경할 수 있어, 장치가 간단하고 제작비가 저렴하여 원료 또는 촉매에 따른 공정조건을 조절하기가 용이한 측면이 있다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 튜브방식 유동 바이오디젤 제조장치의 구성은, 동물성 유지 또는 식물성 유지가 저장되는 유지 저장탱크, 알코올이 저장되는 알코올 저장탱크, 상기 유지 저장탱크와 알코올 저장탱크로부터 혼합된 혼합원료를 촉매와 혼합시키는 촉매혼합기, 상기 촉매혼합기로부터 나온 혼합물이 유동하면서 에스테르화 반응이 이루어지는 마이크로파 반응기 모듈, 상기 혼합원료와 촉매 및 반응생성물을 이송시키기 위한 펌프 및 상기 반응기 모듈을 통과하여 반응을 완료한 반응생성물을 분리하는 원심분리기를 포함하고,
상기 마이크로파 반응기 모듈은 복수의 마이크로파 반응기들로 이루어지며, 각각의 마이크로파 반응기는 이웃하는 반응기와 분리되어 있으며, 일측면에 상기 혼합원료와 촉매의 혼합액을 받아들이는 유입부 및 상기 반응기의 타측면에 상기 혼합액이 마이크로파와 반응한 후 다음 단계의 마이크로파 반응기로 반응액을 유출하는 유출부 및 n번째 반응기의 유출부와 그 다음 단계(n+1번째) 반응기의 유입부와 연통되는 복수의 연결 튜브를 포함하며,
상기 마이크로파 반응기는 마이크로파를 발생하여 상기 반응기에 공급하는 마이크로파 발생기와 발생된 마이크로파를 플런저(plunger)로 유도하는 론처(launcher) 및 상기 론처와 임피던스 정합되어 공진되는 플런저를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 촉매혼합기와 마이크로파 반응기 모듈사이에 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기는 마이크로파 반응기 모듈의 최종 마이크로파 반응기에서 유출되는 반응생성물을 이용하여 열교환을 통해 투입 혼합물의 온도를 상승시켜주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 마이크로파 반응기 모듈은 복수의 마이크로파 반응기들이 상하로 배열되어 회전 유동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 플런저는 단일 모드 공동(single mode cavity)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 마이크로파 반응기 모듈은 30개 마이크로파 반응기로 구성되며 내경 25mm의 연결튜브를 사용하여 1 ℓ/sec의 유속으로 유동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 각각의 마이크로파 반응기가 직렬로 연결되어 반응물이 최초의 마이크로파 반응기를 통과하여 마지막 마이크로파 반응기를 통과할 때까지 에스테르화 반응이 수행되는 장치를 제공함으로써, 반응물을 고르게 활성화켜 바이오디젤의 생산 수율을 10%이상 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 다수의 저전력의 마이크로파를 이용한 연속반응에 의한 바이오디젤 제조장치를 제공함으로써, 복수의 반응기를 사용하며, 각각의 반응기내 마이크로파의 주파수 또는 출력을 변경할 수 있어, 장치가 간단하고 원료 또는 촉매에 따른 공정조건을 조절하기가 용이한 측면이 있다.
아울러, 저가의 소형 마이크로파 발생기를 사용하여 기존의 대용량 단일 발생기보다 제작비가 저렴해지며, 경제적으로 바이오디젤을 제조할 수 있어 생산단가를 절감시키는 효과가 있다.
도 1은 마이크로파를 사용하는 종래의 바이오디젤 제조장치이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오디젤 제조장치의 예를 나타내고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로파 반응기 모듈을 나타낸다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 예시된 설명과 제공된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석해서는 아니 된다.
이하, 본 발명에 따른 바이오디젤 제조장치와 바이오디젤의 제조과정에 대해 보다 도 2 및 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오디젤 제조장치를 보여준다. 복수의 연속반응공정을 이용한 마이크로파 반응기는 5-100개, 바람직하게는 30개의 반응기를 모아 하나의 마이크로파 반응기 모듈(10)을 형성한다. 상기 반응기 모듈(10)을 복수로 하여 병렬로 또는 직렬로 연결하여 바이오디젤장치를 보다 대규모로 제작할 수 있다.
본 발명의 바이오 디젤제조장치는 상기 촉매혼합기와 마이크로파 반응기 모듈(10) 사이에 열교환기(20)가 설치될 수 있다. 열교환기의 종류는 주수식(注水式), 이중관식, 핀붙이 다관식, 투관형식(透管型式)이 사용될 수 있으며 이밖에 일반적으로 사용될 수 있는 통상의 종류가 모두 가능하다.
상기 열교환기(20)를 사용하는 경우에 마이크로파 반응기 모듈(10)의 최종 마이크로파 반응기에서 유출되는 고온의 반응생성물이 열교환기(20)를 통해 투입원료 혼합물의 온도를 상승시켜줄 수 있다. 상기 열교환기(20)를 사용하는 경우 촉매 혼합기내 혼합물의 온도를 5 - 15도 상승시켜 25% 정도 에너지 절감효과가 있어, 바이오디젤의 보다 낮은 제조원가를 제공해 줄 수 있다.
투입 혼합물이나 최종 반응물을 임시로 저장하기 위한 버퍼 저장탱크(30)가 포함될 수 있으며 혼합물 원료를 투입하기 위하여 펌프(40)를 사용한다.
전처리 저장탱크는 공지된 장비들을 사용한다. 먼저, 유지 저장탱크는 식물유 또는 동물유 오일을 저장하는 곳으로, 여기서, 오일은 식물유, 동물유 뿐만 아니라 지방, 폐유 또는 그리스, 정제(rendered) 생성물, 또는 이들의 임의의 혼합물을 지칭한다. 식물유는 농작물 및 임산물과 같은 식물 공급원뿐만 아니라, 소프스톡(soapstock)과 같은 이러한 재료의 가공으로부터의 폐기물, 배출물 및 잔류물로부터 유도된 지질을 지칭하는 것으로서, 대두, 옥수수, 해바라기, 야자, 견과류(nut), 홍화씨(safflower), 올리브, 목화, 아마인, 겨자씨, 평지씨, 캐놀라(canola), 땅콩, 코코넛, 피마자 씨, 톨유 및 이들의 조합으로부터 유도되는 오일을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
동물유는 동물 공급원뿐만 아니라, 이러한 재료의 가공으로부터의 폐기물, 유출물 및 잔류물로부터 유도된 지질을 지칭하는 것으로서, 미가공(raw) 또는 정제(rendered) 동물 지방, 갈색 그리스, 백색 그리스, 황색 그리스, 동물 우지(animal tallow), 돼지 지방, 돼지기름, 닭 지방, 닭 기름, 양 지방, 양 기름, 소 지방, 소 기름 및 이들의 조합을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
알코올 저장탱크는 알코올을 저장하는 곳으로, 여기서 알코올은 하나 이상의 수산기를 함유하는 탄화수소 화합물을 지칭하고자 하는 의미이며, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올과 같은 무수 알코올을 포함한다.
상기 유지 및 알코올 저장탱크로부터 나온 혼합원료는 촉매혼합기에서 촉매와 함께 혼합되어 펌프에 의해 이송되어 에스테르화 반응이 이루어지는 마이크로파 반응기 모듈(10)로 유입된다.
상기 촉매는 반응물을 유화시키기 위한 것으로 불균일 촉매 또는 균일촉매일 수 있다. 불균일(heterogeneous) 촉매는 반응물과 다른 상인 촉매를 의미하고, 균일(homogeneous)촉매는 반응물과 동일한 상인 촉매를 의미하는 것으로서 고정 효소 촉매뿐만 아니라 제1족 또는 제2족 금속의 수산화물, 제1족 또는 제2족 금속의 규산염, 제1족 또는 제2족 금속의 탄산염, 수산화물 형태의 강한 음이온 교환 수지, 알루미늄 및 마그네슘 산화물, 산 형태의 제올라이트, 수소형태의 강한 양이온 교환수지, 루이스 산 등과 이의 혼합물로 이루어진 산 및 알칼리 촉매를 모두 포함할 수 있다. 또한, 상기 촉매혼합기의 형태는 임의의 형태로 변형가능한 고정상형태 또는, 연속 교반 배치식 형태, 슬러리 상 혼합기 또는 다른 적절한 형태일 수 있다.
혼합원료와 촉매가 섞인 혼합물은 펌프를 통해 마이크로파 반응기 모듈(10)로 유입된다. 상기 펌프는 순환경로 상에 설치되어 원료, 반응중간물 및 생성물을 유동시킨다.
마이크로파 반응기 모듈(10)은 도 3에 개시한 바와 같이 복수의 마이크로파 반응기(16)들로 이루어지며 각각의 마이크로파 반응기(16)는 반응기(16)의 일측면에 상기 혼합원료와 촉매의 혼합액을 받아들이는 유입부(11) 및 상기 반응기(16)의 타측면에 혼합액이 마이크로파와 반응한 후 다음단계의 마이크로파 반응기(16)로 반응액을 유출하는 유출부(12)와 이들을 연통하는 연결 튜브(13)를 포함한다. 연결 튜브의 재질은 금속 또는 플라스틱 등 제한이 없으나 테플론 재질이 바람직하다.
마이크로파 반응기(16)는 일종의 마이크로파 공동 공진기(microwave cavity resonator)로서 마이크로파 발생기에서 발생되는 마이크로파를 유도하는 도파관과 임피던스 정합되어 단일모드로 공진되어 원료혼합물이 에너지를 흡수하여 에스테르화 반응이 진행된다.
본 발명의 마이크로파 반응기(16)는 일단에 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생기가 구비되어 있으며, 본 발명의 바람직한 마이크로파 발생기는 700W 내지 5KW의 마이크로파 발생기를 복수로 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 1.5KW 내지 3KW의 마이크로 발생기를 사용한다. 본 발명에 의한 소형 마이크로파 발생기를 이용하는 경우 20kW급 이상의 단일 발생기보다 훨씬 더 저렴한 가격으로 생산단가를 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 3kW 마이크로파 발생기(14), 도파관인 WR340 론처(laucher,15), 플런저(cavity plunger)를 포함하는 WR340 반응기(16) 및 내경 25mm튜브(13)를 사용하고, 혼합원료의 비열이 0.6인 경우에 최종적으로 60~65℃의 반응온도를 얻기 위해서 1 ℓ/sec의 유속으로 유동시키면 된다. 따라서 열교환기(20)를 통과한 혼합원료의 온도가 25~30℃라면 35초 정도 가열하면 최종 반응 온도를 얻을 수 있고 30개의 반응기(16)로 1분에 45ℓ정도의 생산량을 확보할 수 있다. 이때 튜브의 총길이는 약 35m 정도이다. 반응기(16) 각각 또는 2-5개씩 단위로 온도센서를 부착하여 온도를 모니터링할 수 있다.
사용하는 마이크로파의 주파수는 다양하게 변형되어 실시될 수 있으나, 주파수 허가를 받지 않는 비면허대역인(ISM 밴드) 915 MHz, 2450MHz, 5800 MHz의 주파수를 사용할 수 있다. 각각의 반응물의 공진주파수에 공진되도록 가변주파수를 발생시키는 마이크로파 발생장치를 이용할 수 있다.
마이크로파 반응기(16)의 일단에 설치되며 상기 마이크로파 발생기에서 발생되는 마이크로파를 상기 마이크로파 반응기(16)로 유도하는 도파관인 론처(launcher,15)가 구비될 수 있다. 도파관의 바람직한 규격은 WR340이다. 상기 도파관은 마이크로파의 반사 효율을 높이기 위하여 필요에 따라 경면처리될 수 있다.
상기 마이크로파 반응기(16)의 유출부(12)는 다음 단계의 마이크로파 반응기(16)의 유입부(11)와 튜브를 통해 연통됨으로써 각각의 마이크로파 반응기(16)는 직렬로 배치되게 된다. 따라서 반응물과 촉매는 각각의 반응기(16)를 통과하며 마이크로파에 의해 활성화될 수 있다.
또한 상기 마이크로파 반응기 모듈(10) 내 각각의 마이크로파 반응기(16)는 반응기(16) 상부에 가스 배출구가 설치될 수 있고, 이 경우에도 반응기(16) 각각 또는 2-5개씩 걸러 가스배출구를 설치할 수 있다.
상기 마이크로파 반응기 모듈(10)내 각각의 마이크로파 반응기(16)는 독립된 전원에 의해 구동되고, 각각의 마이크로파 발생기에 의해 발생되는 주파수와 전력(파워)은 가변할 수 있다. 따라서 본 발명의 바이오 디젤 제조장치는 각각의 반응기(16)마다 사용자가 원하는 주파수와 전력을 공정조건에 맞추어 조절가능하게 배분할 수 있는 장점이 있다.
혼합원료가 제1 마이크로파 반응기(16)에 유입되면 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기에 의해 사용자가 조절가능한 일정주파수를 발생시켜 가열하면서 펌프에 의해 강제 유동되는 혼합물이 에스테르화 반응이 가속화되기 시작된다. 연속공정에 의한 반응기(16)이므로, 평균적으로 일정 시간이 지나게 되면 상기 원료와 촉매의 혼합물이 제1 마이크로파 반응기(16)의 유출구(12)를 거쳐 튜브를 통과하여 제2 마이크로파 반응기(16)의 유입구(11)로 유입된다. 각 반응기(16) 내 유입구(11)와 유출구(12) 사이에는 반응기(16) 내에 격벽을 두어 유입구(11)에서 유입된 반응혼합물이 유출구(12)로 직접 유출되지 않도록 하며, 또한 반응혼합물의 교반을 용이하게 할 수 있도록 한다. 이어서 제2 마이크로파 반응기(16) 내에서 에스테르화 반응이 활성화될 수 있다.
또한 유입구(11)와 유출구(12)는 각각 전자파차폐 필터관을 두어 이물질을 걸러주며, 또한 이는 각 반응기(16)에 설치된 마이크로파 발생기에서 발생된 마이크로파의 상호 간섭을 배제하고 각 반응기(16)마다 독립적으로 가열하도록 하는 역할을 한다.
상기의 반응은 알코올과 카르복실산에 의해 알킬 에스테르를 만드는 에스테르화 반응을 의미하며, 알콕실 또는 아실기의 교환을 포함하여 알킬 에스테르를 형성하는 에스테르와 알코올간의 트랜스에스테르화 반응을 포함한다.
이러한 순서를 거쳐 마지막 순번의 마이크로파 반응기(16)를 통과한 반응생성물은 열교환기(20)를 통과한다. 상기 열교환기(20)는 앞서 기재된 바와 같이 유지 및 알코올 혼합물의 온도를 높여줄 수 있으며, 마이크로파 반응기(16)를 거쳐 나오는 반응생성물의 온도를 낮추어 줄 수 있다. 이를 통하여 반응생성물은 온도가 5 내지 20도 낮아질 수 있다.
이후 공정으로 열교환기(20)를 통과한 반응생성물은 원심분리기로 들어간다. 상기 원심분리기는 관련분야에서 사용하는 통상의 원심분리기일 수 있으며, 바이오디젤과 글리세롤을 분리하는 역할을 한다.
상기 원심분리기를 통해 분리된 바이오디젤과 글리세롤은 바이오디젤 정제기와 글리세롤 정제기를 통해 각각 정제되어 바이오디젤과 글리세롤로 제조된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명은 바이오디젤 제조장치에 적용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 각각의 반응기내 마이크로파의 주파수 또는 출력을 변경할 수 있어, 장치가 간단하고 원료 또는 촉매에 따른 공정조건을 조절하기가 용이하며, 경제적으로 바이오디젤을 제조할 수 있으므로, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (5)

  1. 동물성 유지 또는 식물성 유지가 저장되는 유지 저장탱크, 알코올이 저장되는 알코올 저장탱크, 상기 유지 저장탱크와 알코올 저장탱크로부터 혼합된 혼합원료를 촉매와 혼합시키는 촉매혼합기, 상기 촉매혼합기로부터 나온 혼합물이 유동하면서 에스테르화 반응이 이루어지는 마이크로파 반응기 모듈, 상기 혼합원료와 촉매 및 반응생성물을 이송시키기 위한 펌프 및 상기 반응기 모듈을 통과하여 반응을 완료한 반응생성물을 분리하는 원심분리기를 포함하는 바이오디젤 제조장치에 있어서,
    상기 마이크로파 반응기 모듈은 복수의 마이크로파 반응기들로 이루어지며, 각각의 마이크로파 반응기는 이웃하는 반응기와 분리되어 있으며, 일측면에 상기 혼합원료와 촉매의 혼합액을 받아들이는 유입부 및 상기 반응기의 타측면에 상기 혼합액이 마이크로파와 반응한 후 다음 단계의 마이크로파 반응기로 반응액을 유출하는 유출부 및 n번째 반응기의 유출부와 그 다음 단계(n+1번째) 반응기의 유입부와 연통되는 복수의 연결 튜브를 포함하며,
    상기 마이크로파 반응기는 마이크로파를 발생하여 상기 반응기에 공급하는 마이크로파 발생기와 발생된 마이크로파를 플런저(plunger)로 유도하는 론처(launcher) 및 상기 론처와 임피던스 정합되어 공진되는 플런저를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브방식 유동 바이오디젤 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매혼합기와 마이크로파 반응기 모듈사이에 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기는 마이크로파 반응기 모듈의 최종 마이크로파 반응기에서 유출되는 반응생성물을 이용하여 열교환을 통해 투입 혼합물의 온도를 상승시켜주는 것을 특징으로 하는 튜브방식 유동 바이오디젤 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 반응기 모듈은 복수의 마이크로파 반응기들이 상하로 배열되어 회전 유동하는 것을 특징으로 하는 튜브방식 유동 바이오디젤 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플런저는 단일 모드 공동(single mode cavity)인 것을 특징으로 하는 튜브방식 유동 바이오디젤 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 반응기 모듈은 30개 마이크로파 반응기로 구성되며 내경 25mm의 연결튜브를 사용하여 1 ℓ/sec의 유속으로 유동시키는 것을 특징으로 하는 튜브방식 유동 바이오디젤 제조장치.
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