* 본 발명에 의하면, 반응관 내부에 공급된 제1 유체에 제2 유체를 노즐로 분사함으로써 소수성 물질 및 친수성 물질의 혼합 반응 생성물을 단시간에 고효율로 생산할 수 있다. 이때 미세 입자의 비표면적 증가로 인한 계면 확장 효과, 반응관 내부의 지방산 금속염 발생을 억제하는 미세 입자의 효과, 제1 유체 가열에 의한 화학적 효과, 반응관 내부의 난류 유동 또는 믹서 유니트에 의한 물리적 혼합 효과 중 적어도 하나에 의하여 원하는 최적 반응 속도로 에스테르교환반응이 진행되는 장점이 있다. According to the present invention, a mixed reaction product of a hydrophobic substance and a hydrophilic substance can be produced in a short time and with high efficiency by injecting a second fluid into the first fluid supplied into the reaction tube with a nozzle. At this time, the interfacial expansion effect due to the increase of the specific surface area of the fine particles, the effect of the fine particles to suppress the generation of fatty acid metal salt in the reaction tube, the chemical effect by the first fluid heating, the turbulent flow inside the reaction tube or physical mixing by the mixer unit At least one of the effects has the advantage that the transesterification reaction proceeds at the desired optimum reaction rate.
[도면의 간단한 설명][Brief Description of Drawings]
도 1은 에스테르 교환 반응을 표현한 반응식이다. 1 is a scheme representing a transesterification reaction.
도 2는 미세 입자 분무에 의하여 계면의 표면적을 확장시킴으로써 반응 속도 및 반응 수율을 향상시키는 본 발명의 비동종상 유체의 반응 촉진 장치의 일 실시예를 도시한다. FIG. 2 shows one embodiment of the reaction promotion apparatus of the non-homogeneous fluid of the present invention which improves the reaction rate and the reaction yield by expanding the surface area of the interface by fine particle spraying.
도 3은 도 2의 실시예를 대량 생산에 적합하도록 최적화한 실시예를 도시한다. FIG. 3 shows an embodiment in which the embodiment of FIG. 2 is optimized for mass production.
도 4 내지 도 6은 반응관 내부를 촬영한 사진으로서, 도 4는 분사 전, 도 5는 분사 직후, 도 6은 최대 분사 상태를 나타낸다. 4 to 6 are photographs taken inside the reaction tube. FIG. 4 shows before injection, FIG. 5 immediately after injection, and FIG. 6 shows a maximum injection state.
도 7은 노즐 유무에 따른 혼합 유체의 생산성을 비교한 그래프이다. 7 is a graph comparing productivity of mixed fluids with and without nozzles.
[기술적 과제][Technical Challenges]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 설명을 위하여 비동종상 유체의 대표적인 예로서 오일과 메톡사이드(Methoxide)를 들 수 있다. 오일 및 메톡사이드(Methoxide)는 에스테르 교환 반응을 하여 바이오 디젤이 되며, 오일 및 메톡사이드(Methoxide)의 혼합 유체가 바이오 디젤이 된다. Representative non-homogeneous fluids for the purposes of the present invention include oil and methoxide. Oil and methoxide are transesterified to biodiesel, and the mixed fluid of oil and methoxide becomes biodiesel.
도 1은 에스테르 교환 반응을 표현한 반응식이다. 이를 참조하면 혼합 유체는 3가의 지방산에 글리세롤이 결합한 트라이글리세리드로부터 메탄올을 이용해 글리세롤을 분리한 다음, 지방산 에스테르를 만들어 내는 에스테르 교환 반응을 통하여 제조된다. 1 is a scheme representing a transesterification reaction. Referring to this, a mixed fluid is prepared through a transesterification reaction in which glycerol is separated using methanol from triglycerides in which glycerol is bound to trivalent fatty acids, and then produced fatty acid esters.
일반적으로 화학반응의 반응 속도에 영향을 미치는 요인들은, 예를 들면 반응물의 물리화학적 특성, 농도, 온도, 압력, 촉매, 그리고 서로 접촉할 수 있는 반응물의 능력을 들 수 있다. 이와 같이 화학반응 속도에 영향을 미치는 인자 중에서 반응물들 사이의 접촉면적을 극대화하는 것은 모든 화학반응에 있어서 공통적으로 요구되는 사항으로, 접촉을 통한 반응물 간 계면에서의 접촉 면적의 극대화와 체류 시간의 확보는 반응 속도와 반응 수율을 결정하는 중요한 인자이다. In general, factors affecting the reaction rate of a chemical reaction include, for example, the physicochemical properties of the reactants, concentration, temperature, pressure, catalyst, and the ability of the reactants to contact each other. Maximizing the contact area between the reactants among the factors affecting the chemical reaction rate is a common requirement in all chemical reactions, and maximizes the contact area at the interface between the reactants and the retention time through the contact. Is an important factor in determining reaction rate and reaction yield.
그리고 반응 혼합물 사이에 수 마이크로미터 단위의 미립화된 무화상(automized) 입자의 물질이 반응 혼합물 사이에 반응 개시 직전에 제공될 수 있다면 반응의 양상은 단순한 물리적 혼합특성의 영역을 넘어서 화학 반응 특성의 양상까지도 변화가 가능하다. And if a substance of atomized automized particles in the order of several micrometers between the reaction mixture can be provided just before the initiation of the reaction between the reaction mixtures, the aspect of the reaction goes beyond the range of simple physical mixing properties. Even change is possible.
반응 혼합물 사이에 접촉 면적의 극대화를 위한 중요한 인자 중의 하나가 바로 반응 혼합물들이 이루는 상(phase)과 상평형(phase equilibrium)이라 할 수 있다. One of the important factors for maximizing the contact area between the reaction mixtures is the phase and phase equilibrium of the reaction mixtures.
일반적으로 상이란 물질의 상태에 따라 고상, 액상, 기상 또는 플라즈마와 같은 임계상이 있으며, 물과 에탄올과 같이 극성 유체로서 서로 동일한 성질을 갖는 경우 동종상(homogeneous phase) 유체라 볼 수 있고, 오일과 메탄올과 같이 서로 혼합되지 않으므로 상이한 성질을 갖는 경우 비동종상(heterogeneous phase) 유체라 볼 수 있다. Generally, a phase is a critical phase such as a solid phase, a liquid phase, a gas phase, or a plasma depending on the state of a substance. When a phase has the same properties as a polar fluid such as water and ethanol, it can be regarded as a homogeneous phase fluid. Since they do not mix with each other like methanol, they can be regarded as heterogeneous phase fluids if they have different properties.
동종상 유체는 서로 쉽게 용해되거나 혼합되므로 경계면이 특별히 존재하지 않는다. 예를 들면 용기에 물을 채우고 여기에 에탄올을 추가하면 물과 에탄올은 같은 극성으로서 쉽게 혼합되므로 뚜렷한 경계면이 형성되지 않는다. Homogeneous fluids are easily dissolved or mixed with each other so that no interface exists. For example, if a container is filled with water and ethanol is added to it, water and ethanol are easily mixed with the same polarity so that no distinct interface is formed.
반면에 비동종상 유체는 서로 용해되거나 혼합되지 않으므로 밀도 차이에 따라 뚜렷한 경계면이 존재한다. 예를 들면 용기에 오일을 채우고 여기에 메탄올을 추가하면 오일과 메탄올을 서로 다른 극성으로서 쉽게 혼합되지 않으므로 밀도 차이에 따라 용기의 하측 및 상측으로 서로 분리되어 뚜렷한 경계면이 형성된다. On the other hand, non-homogeneous fluids do not dissolve or mix with each other, so there is a distinct interface due to the difference in density. For example, filling the vessel with oil and adding methanol to it does not easily mix the oil and the methanol with different polarities, so that the distinction between the bottom and the top of the vessel results in distinct densities, depending on the density difference.
따라서, 비동종상 유체끼리의 화학 반응은 오로지 경계면에서만 일어날 수 있는데, 경계면이 존재하지 않거나 경계면 위치에서 2 개의 비동종상 유체가 서로 격리되어 있다면 비동종상 유체의 화학 반응은 일어날 수 없다. 따라서, 비동종상 Thus, chemical reactions between non-homogeneous fluids can occur only at the interface, and if no interface exists or two non-homogeneous fluids are isolated from each other at the interface location, the chemical reaction of the non-homogeneous fluid cannot occur. Thus, non-homologous
유체의 화학적, 물리적 반응을 촉진하려면 경계면의 면적을 증가시키는 것이 중요하게 된다.Increasing the area of the interface becomes important to facilitate the chemical and physical reactions of the fluid.
이하에서 예를 드는 것과 같이, 비동종상 유체의 대표적인 예로서 소수성의 오일과 친수성의 메탄올을 반응시켜 혼합 유체인 바이오 디젤을 만드는 경우, 오일과 메탄올의 경계면을 확장시킴으로써 에스테르교환반응 속도를 증가시킬 수 있고, 결과적으로 바이오 디젤의 생성 속도를 촉진할 수 있다. As exemplified below, when a biofluid of a mixed fluid is prepared by reacting hydrophobic oil with hydrophilic methanol as a representative example of a non-homogeneous fluid, the rate of transesterification can be increased by expanding the interface between oil and methanol. As a result, it is possible to accelerate the production rate of biodiesel.
일반적으로 2상(two phase) 반응이라고 불리우는 반응들은 고액 반응, 기액 반응과 같이 물질의 상이 다른 두 가지 반응물의 반응을 나타내는 말이다. 그런데, 에스테르교환반응에서처럼 소수성(hydrophobisity)기를 갖는 반응물과 친수성(hydrophilicity)기를 가지는 반응물들이 혼재하여 서로 잘 혼합되지 않는 경우 이들은 서로 동일한 액체 상태이지만 비동종상(heterogeneous phase) 유체 사이의 반응이므로 마치 2상 반응이 진행되는 것으로 볼 수 있다. 이러한 경우에는 반응 속도가 현저하게 떨어진다. Reactions, generally called two-phase reactions, refer to the reaction of two reactants with different phases of matter, such as solid-liquid and gas-liquid reactions. However, when a reactant having a hydrophobisity group and a reactant having a hydrophilicity group do not mix well with each other, as in the transesterification reaction, they are reactions between the same liquid state but a heterogeneous phase fluid, so it is like a two-phase reaction. It can be seen that the reaction proceeds. In this case, the reaction rate drops significantly.
바이오 디젤은 유지의 주성분인 트리글레세라이드(triglyceride)에 알코올을 첨가시켜 반응하는 알코올 분해 반응(alcholysis)에 의한 혼합 유체이다. 바이오 디젤은 염기 또는 산 촉매를 이용하여 알코올과 유지의 에스테르 교환(transesterfication) 반응을 통하여 제조된다. Biodiesel is a mixed fluid by alcohol decomposition in which alcohol is added to triglyceride which is a main component of fats and oils. Biodiesel is prepared through transesterfication of alcohols and fats and oils using base or acid catalysts.
그러나 바이오 디젤의 주원료인 동물성 또는 식물성 유지 및 재생유지는 주 성분이 트리글리세라이드(triglyceride)의 소수성기를 띄고 있고 일반적으로 알코올은 친수성기를 띄고 있어, 유지와 알코올은 상온, 상압에서는 서로 쉽게 용해되지 않는다. However, the main raw material of the biodiesel animal or vegetable oils and oils and fats and oils maintain the hydrophobic group of the triglyceride (triglyceride) and the alcohol in general has a hydrophilic group, the oil and alcohol are not easily dissolved at room temperature, atmospheric pressure.
본 발명은 비동종성 유체로서 예를 들면 트리글리세라이드 또는 메탄올을 수 내지 수십 마이크로미터의 크기를 갖는 미세 입자로 분사시켜, 비동종성 유체가 이루는 경계면의 반응 면적을 증가시킴으로써 반응속도 및 반응 수율을 높이는 것을 특징으로 한다. The present invention is to increase the reaction rate and the reaction yield by injecting triglyceride or methanol as fine particles having a size of several to several tens of micrometers as a non-homogeneous fluid, thereby increasing the reaction area of the interface formed by the non-homogeneous fluid. It features.
즉, 제1 유체에 해당하는 트리글리세라이드이나 제2 유체에 해당하는 메탄올 또는 메톡사이드를 포함한 비동종성 유체를 반응관 내부에 노즐(120)을 이용하여 안개 상태로 분사함으로써 에스테르교환반응의 반응 속도 및 반응 수율을 높일 수 있다. That is, the reaction rate of the transesterification reaction by spraying a non-homogeneous fluid including triglyceride corresponding to the first fluid or methanol or methoxide corresponding to the second fluid in a mist state using the nozzle 120 inside the reaction tube and The reaction yield can be increased.
비동종상 유체의 반응 촉진 장치의 구체적 실시예를 바이오 디젤 생산 장치를 예로 들어 설명한다. A specific embodiment of the reaction promoting device for a non-homogeneous fluid will be described taking a biodiesel production device as an example.
대표적인 예로서, '혼합 유체'의 하나가 바이오 디젤이고, '제1 유체'의 하나가 트리글레세라이드(triglyceride)이며, '제2 유체'의 하나가 메탄올 또는 메톡사이드(Methoxide)가 된다. 메톡사이드는 메탄올과 촉매(예를 들어 가성 소다)의 혼합물을 지칭한다. As a representative example, one of the 'mixed fluids' is biodiesel, one of the 'first fluids' is triglyceride, and one of the 'second fluids' is methanol or methoxide. Methoxide refers to a mixture of methanol and a catalyst (eg caustic soda).
도 2는 미세 입자 분무에 의하여 계면의 표면적을 확장시킴으로써 반응 속도 및 반응 수율을 향상시키는 본 발명의 비동종상 유체의 반응 촉진 장치의 일 실시예를 도시한다. 도 3은 도 2의 실시예를 대량 생산에 적합하도록 최적화한 실시예를 도시한다. 도 2 및 도 3은 근본 작동 원리에 있어서 동일하므로 이를 함께 설명하기로 한다. FIG. 2 shows one embodiment of the reaction promotion apparatus of the non-homogeneous fluid of the present invention which improves the reaction rate and the reaction yield by expanding the surface area of the interface by fine particle spraying. FIG. 3 shows an embodiment in which the embodiment of FIG. 2 is optimized for mass production. 2 and 3 are the same in their fundamental operating principle, so they will be described together.
도 2를 참조하면, 본 발명의 비동종상 유체의 반응 촉진 장치는, 노즐(120)의 미세 입자 분사에 의한 계면 확장에 의하여 에스테르교환반응 속도를 증가시키는 반응관(110)을 포함하며, 믹서의 물리적 혼합력에 의하여 에스테르교환반응 속도를 증가시키는 믹서 유니트(200)를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the apparatus for promoting reaction of a non-homogeneous fluid of the present invention includes a reaction tube 110 for increasing a transesterification reaction rate by interfacial expansion by spraying fine particles of a nozzle 120. It may further include a mixer unit 200 for increasing the rate of transesterification by physical mixing.
일 실시예로서, 반응 유니트(100)는 반응관(110), 고정 플레이트(111), 고정봉(112), 노즐(120), 제1 배출관(190), 제1 밸브(195)를 구비한다. In one embodiment, the reaction unit 100 includes a reaction tube 110, a fixing plate 111, a fixing rod 112, a nozzle 120, a first discharge pipe 190, and a first valve 195. .
제2 유체 공급부(320)를 통하여 공급된 제2 유체는 노즐(120)에 의하여 미세 입자로 분사된다. 노즐(120)은 제2 유체를 소정 분사 각도(θ)로 반응관(110) 내부에 분사한다. 반응관(110)의 길이(L) 및 직경(D)은, 노즐(120)의 분사 각도(θ), 분사 압력, 미세 입자의 크기, 반응관(110) 입구 및 출구의 직경에 따라 일정 수준 이상의 에스테르교환반응 속도를 얻을 수 있도록 최적화된다. The second fluid supplied through the second fluid supply part 320 is injected into the fine particles by the nozzle 120. The nozzle 120 injects the second fluid into the reaction tube 110 at a predetermined injection angle θ. The length L and the diameter D of the reaction tube 110 are constant levels depending on the injection angle θ of the nozzle 120, the injection pressure, the size of the fine particles, and the diameter of the reaction tube 110 inlet and outlet. It is optimized to obtain the above transesterification rate.
반응관(110) 내부에는 노즐(120)에서 분사된 제2 유체가 제1 유체와 함께 높은 압력으로 혼합되므로 반응관(110)을 안정적으로 지지하기 위하여 반응관(110)의 양단부는 고정 플레이트(111) 사이에 끼어서 지지된다. 고정 플레이트(111)는 고정봉(112)에 의하여 결합되며 고정봉(112)의 인장력에 의하여 고정 플레이트(111) 및 반응관(110)이 단단히 결합된다. In the reaction tube 110, since the second fluid injected from the nozzle 120 is mixed with the first fluid at a high pressure, both ends of the reaction tube 110 may be fixed to a plate to stably support the reaction tube 110. 111) is sandwiched between and supported. The fixing plate 111 is coupled by the fixing rod 112 and the fixing plate 111 and the reaction tube 110 are firmly coupled by the tensile force of the fixing rod 112.
반응관(110) 내부에는 제1 유체가 수용된다. 반응관(110) 내부에 설치되는 노즐(120)에 의하여 제2 유체가 미세 입자 상태로 분사되면 미립화 또는 무화상(automized phase) 상태에서 분사되기 때문에 계면 확장 효과에 의한 반응 속도가 촉진된다. The first fluid is accommodated in the reaction tube 110. When the second fluid is injected into the fine particle state by the nozzle 120 installed inside the reaction tube 110, the reaction rate is accelerated by the interface expansion effect because the second fluid is injected in the atomized or automized phase state.
한편, 에스테르교환반응에 의해 발생하는 거품 상의 지방산 금속염이 고속 및 고압으로 분사되는 미세 입자에 의해 파쇄되기 때문에 반응 수율 및 반응 속도가 향상된다. On the other hand, since the foamed fatty acid metal salt generated by the transesterification reaction is crushed by fine particles sprayed at high speed and high pressure, the reaction yield and reaction rate are improved.
또한, 노즐(120) 분사에 의한 운동 에너지 공급에 의하여 제2 유체인 메탄올 또는 메톡사이드의 미세 입자가 제1 유체인 오일과 에멀전 상태로 균일 혼합된다. 즉, 미세 입자 분사에 의한 계면 공학적인 물리 화학적 효과와, 노즐(120) 분사력에 의한 물리적 효과, 히터(390)의 온도 가열에 의한 화학적 효과에 따라 에스테르화 반응 속도가 획기적으로 증가한다. In addition, fine particles of methanol or methoxide, which is a second fluid, are uniformly mixed in an emulsion state with oil, which is the first fluid, by kinetic energy supply by injection of the nozzle 120. That is, the esterification reaction rate is dramatically increased according to the interfacial engineering physicochemical effect by the fine particle injection, the physical effect by the injection force of the nozzle 120, and the chemical effect by the temperature heating of the heater 390.
반응관(110)의 입구 측에는 제1 유체를 공급하는 공급부(310)가 연결되고, 제1 유체는 펌프(380)에 의하여 공급 압력을 제공받는다. 반응관(110)의 출구 측에는 반응관(110) 내부의 혼합 유체를 배출하는 제1 배출관(190)이 연결된다. A supply part 310 for supplying a first fluid is connected to an inlet side of the reaction tube 110, and the first fluid is supplied with a supply pressure by the pump 380. The outlet side of the reaction tube 110 is connected to the first discharge pipe 190 for discharging the mixed fluid inside the reaction tube 110.
반응관(110)의 직경은 공급부(310) 및 제1 배출관(190)의 직경보다 더 큰 것이 바람직하다. The diameter of the reaction tube 110 is preferably larger than the diameter of the supply unit 310 and the first discharge tube 190.
노즐(120)의 분사 압력에 의하여 반응관(110) 내부의 유체가 반응관(110) 내부에서 불규칙한 난류 유동을 일으키면 에스테르교환반응 속도가 증가된다. 비압축성 연속 유체의 특성상 유체의 단위 시간당 유량은 반응관(110) 입구 및 출구에서 동일하다. 따라서 직경이 작은 공급부(310) 또는 제1 배출관(190)에 유체가 머무는 시간보다 직경이 큰 반응관(110) 내부에서 유체가 머무는 시간이 더 길면 반응 속도가 증가된다. 노즐(120) 단부의 제2 유체 분사 각도, 반응관(110)의 직경 및 길이가 상호 최적 설계되어 있으므로 에스테르교환반응 속도가 증진된다. When the fluid inside the reaction tube 110 causes irregular turbulent flow in the reaction tube 110 due to the injection pressure of the nozzle 120, the rate of transesterification reaction is increased. Due to the nature of the incompressible continuous fluid, the flow rate per unit time of the fluid is the same at the inlet and outlet of the reaction tube 110. Therefore, the reaction rate is increased when the fluid stays inside the large reaction tube 110 longer than the fluid stays in the small diameter supply unit 310 or the first discharge pipe 190. Since the second fluid injection angle of the nozzle 120, the diameter and the length of the reaction tube 110 are optimally designed, the transesterification reaction rate is enhanced.
믹서 유니트(200)는 반응 유니트(100)에서 배출된 혼합 유체를 물리적으로 재혼합하여 에스테르교환반응 속도를 배가시키는 것으로, 인라인 믹서(210)를 구비한다. The mixer unit 200 physically remixes the mixed fluid discharged from the reaction unit 100 to double the transesterification reaction rate, and includes an inline mixer 210.
인라인 믹서(210)는 외부 동력에 의하여 회전하는 날개를 그 내부에 구비할 수 있다. 그밖에, 도 2에 도시된 실시예에서는 고정된 상태에서 형상 특징에 의하여 유체의 난류 유동을 촉발하는 지그재그 형상의 스태틱 블레이드(static blade)(212)가 마련되며, 인라인 믹서(210)의 또 다른 실시예가 된다. 도 3에 도시된 실시예에서는 외부 동력에 의하여 회전되는 날개가 도시되어 있다. The inline mixer 210 may have a blade that rotates by external power therein. In addition, in the embodiment shown in FIG. 2, a zigzag static blade 212 is provided which triggers turbulent flow of the fluid by the shape feature in a fixed state, and another embodiment of the inline mixer 210 is provided. Yes. In the embodiment shown in Figure 3 is shown a wing that is rotated by external power.
인라인 믹서(210)의 입구 측에는 제1 바이패스관(201)이 연결되며 출구 측에는 제2 배출관(290)이 연결된다. 제1 바이패스관(201)은 반응 유니트(100)의 출구에 해당하는 제1 배출관(190)이 연결된다. 제1 밸브(195)가 개방되면 제1 배출관(190)을 통하여 공급된 혼합 유체가 제1 바이패스관(201)을 거쳐 인라인 믹서(210)의 입구 측에 유입된다. 제1 밸브(195)가 폐쇄되는 경우는 믹서 유니트(200)의 작용없이 반응 유니트(100)만에 의한 에스테르 반응으로 혼합 유체를 생산한다. The first bypass pipe 201 is connected to the inlet side of the inline mixer 210 and the second discharge pipe 290 is connected to the outlet side. The first bypass pipe 201 is connected to the first discharge pipe 190 corresponding to the outlet of the reaction unit 100. When the first valve 195 is opened, the mixed fluid supplied through the first discharge pipe 190 flows into the inlet side of the inline mixer 210 through the first bypass pipe 201. When the first valve 195 is closed, the mixed fluid is produced by the ester reaction by the reaction unit 100 alone without the action of the mixer unit 200.
제1 밸브(195)를 폐쇄하여 반응 유니트(100)만으로 혼합 유체를 생산할 것인지, 제1 밸브(195)를 개방하여 반응 유니트(100) 및 믹서 유니트(200)의 조합 작용에 의하여 혼합 유체를 생산할 것인지 여부는 다음에 열거하는 여러가지 요인들에 의하여 결정된다. Whether to close the first valve 195 to produce a mixed fluid with the reaction unit 100 alone, or to open the first valve 195 to produce the mixed fluid by the combined action of the reaction unit 100 and the mixer unit 200. Whether or not is determined by several factors listed below.
즉, 제1 유체의 공급 압력, 제1 유체의 공급 유량, 제1 유체의 공급 온도, 제2 유체의 분사 압력, 제2 유체의 분사 유량, 제2 유체의 분사 각도, 제2 유체의 미세 입자 크기, 반응관(110)의 길이, 반응관(110)의 직경 등 다양한 변수에 따라 최적의 반응값에 따라 결정된다. That is, the supply pressure of the first fluid, the supply flow rate of the first fluid, the supply temperature of the first fluid, the injection pressure of the second fluid, the injection flow rate of the second fluid, the injection angle of the second fluid, the fine particles of the second fluid The size, the length of the reaction tube 110, the diameter of the reaction tube 110 is determined according to the optimum response value according to various variables.
한편, 반응 유니트(100) 및 믹서 유니트(200)의 1회 순환에 한정되지 않고, 반응 유니트(100) 및 믹서 유니트(200)를 여러 번 반복 순환시키는 방법에 의하면 혼합 유체의 생산량은 저하되지만 혼합 유체의 순도를 향상시킬 수 있다. 반복 순환의 경우에는 믹서 유니트(200)의 출구 측과 반응 유니트(100)의 입구 측을 연결한다. 즉, 믹서 유니트(200)의 출구 측에 해당하는 제2 배출관(290)을 반응 유니트(100)의 입구 측에 해당하는 제2 바이패스관(301)에 연결한다. 제2 바이패스관(301)은 탱크(330)를 거쳐 공급부(310)와 연결된다. On the other hand, the method is not limited to one cycle of the reaction unit 100 and the mixer unit 200, and according to the method of repeatedly circulating the reaction unit 100 and the mixer unit 200 several times, the amount of mixed fluid decreases but the mixing is performed. The purity of the fluid can be improved. In the case of repetitive circulation, the outlet side of the mixer unit 200 and the inlet side of the reaction unit 100 are connected. That is, the second discharge pipe 290 corresponding to the outlet side of the mixer unit 200 is connected to the second bypass pipe 301 corresponding to the inlet side of the reaction unit 100. The second bypass pipe 301 is connected to the supply unit 310 via the tank 330.
탱크(330)는 혼합 유체와 제1 유체가 함께 수용되는 저장 공간으로서, 버퍼 (buffer) 역할을 한다. 뿐만 아니라 탱크(330)는 히터(390)에 의하여 제1 유체가 가열되는 시간을 제공하는 공간이 된다. The tank 330 is a storage space for accommodating the mixed fluid and the first fluid, and serves as a buffer. In addition, the tank 330 becomes a space for providing a time for the first fluid to be heated by the heater 390.
도 3은 대량 생산에 적합한 연속 생산 방식의 비동종상 유체의 반응 촉진 장치이다. 본 발명과 대비되는 비교 실시예로서 배치(batch) 방식의 반응 촉진 장치가 있다. 배치 방식의 반응 촉진 장치는 제1 유체가 수용된 커다란 용기에 제2 유체를 주입하면서 용기 내부에서 교반 날개를 회전시켜 제1 유체 및 제2 유체를 섞이게 한 다음 반응이 완료되면 용기 내의 혼합 유체를 배출하고 용기 내부에 새로운 제1 유체를 채우는 배치 방식으로 동작한다. 3 is a reaction promoting device for a non-homogeneous fluid in a continuous production mode suitable for mass production. As a comparative example, in contrast to the present invention, there is a batch reaction promoting device. The batch reaction promoting device injects a second fluid into a large container containing the first fluid, while rotating the stirring blade inside the container to mix the first fluid and the second fluid, and then discharge the mixed fluid in the container when the reaction is completed. And a batch manner of filling a new first fluid inside the vessel.
그러나 이러한 배치 방식은 유체의 공급 및 배출 타이밍이 정해져 있으므로 연속적인 동작이 불가능하고 간헐적으로 동작하며 반응 속도 또한 본 발명의 반응 촉진 장치에 비하여 훨씬 느리다. However, this arrangement method has a fixed supply and discharge timing of the fluid, so that continuous operation is impossible and intermittent operation, and the reaction speed is much slower than the reaction promoting device of the present invention.
도 3의 연속 동작식 반응 촉진 장치는 반응관에 제1 유체가 연속적으로 공급되고 반응관 내부에 설치된 노즐이 연속적으로 제2 유체를 공급하며, 반응관은 이들 비동종성 유체의 반응이 충분히 일어날 수 있을 만큼의 충분한 길이를 갖고 연장되고, 노즐의 분사 각도와 분사 압력 및 노즐 구멍의 크기는 반응관 내부에 충분한 난류 유동이 일으키게 되어 있으며, 노즐 분사에 의한 제2 유체의 경계면의 면적이 최대화될 수 있도록 최적화되어 있으므로 신속하고 일정한 반응성을 얻을 수 있다. In the continuous operation reaction promoter of FIG. 3, the first fluid is continuously supplied to the reaction tube, and the nozzle installed inside the reaction tube continuously supplies the second fluid, and the reaction tube is capable of sufficiently reacting these non-homogeneous fluids. It extends with a sufficient length so that the injection angle of the nozzle, the injection pressure and the size of the nozzle hole cause sufficient turbulent flow inside the reaction tube, and the area of the interface of the second fluid by the nozzle injection can be maximized. It is optimized to ensure fast and consistent reactivity.
도 3에서 믹서 유니트(200)는 그 내부에 회전식 날개나 고정식 블레이드가 설치되어 기계적인 교반 작용을 추가할 수 있지만, 날개나 블레이드를 설치하지 않고 세틀러(settler)로 사용할 수 있다. 여기서 세틀러는 분리 깔때기의 기능을 한다. In FIG. 3, the mixer unit 200 may have a rotary blade or a fixed blade installed therein to add mechanical stirring, but may be used as a setler without installing the blade or blade. Here the settler functions as a separating funnel.
도 2에 도시된 바와 같이 트리글레세라이드(triglyceride)와 메탄올, 메톡사이드의 반응물로서 비중이 큰 글리세롤과 비중이 작은 메틸에스테르가 얻어진다. 이때, 글리세롤과 메틸에스테르는 세틀러 기능을 하는 믹서 유니트(200) 내부에서 아무런 교반 작용없이 가만히 놓아두면 정지된 상태에서 비중 차이에 의하여 서로 분리된다. 믹서 유니트(200)의 상부에 분리된 메틸에스테르는 바이오 디젤로서 배출되고, 하부에 분리된 글리세롤은 별도로 배출된다. As shown in Figure 2 triglyceride (triglyceride), methanol, methoxide as a reactant of a large specific gravity glycerol and a small specific gravity methyl ester is obtained. At this time, the glycerol and methyl ester are separated from each other by the difference in specific gravity in the stopped state if left still without any stirring action inside the mixer unit 200 that functions as a settler. The methyl ester separated at the top of the mixer unit 200 is discharged as biodiesel, and the glycerol separated at the bottom is discharged separately.
도 2 및 도 3에 도시된 비동종상 유체의 반응 촉진 장치에 대하여 다양한 운전 모드 별로 생산 방법을 요약하면 다음과 같다. The production method for various reaction modes for the reaction promotion apparatus of the non-homogeneous fluid illustrated in FIGS. 2 and 3 is as follows.
(1) 반응 유니트(100)만에 의한 생산 방법(제1 모드) : (1) Production method by the reaction unit 100 only (first mode):
펌프(380)를 구동하여 공급부(310)에 제1 유체를 공급한다. 여기서 히터(390)로 제1 유체를 가열하여 반응 속도 증가에 최적인 제1 유체 온도로 맞추어 준다. 펌프(380) 및 공급부(310) 사이에는 탱크(390)가 설치되어 임시 저장 공간 및 히터(390)의 가열 공간으로서 사용된다. The pump 380 is driven to supply the first fluid to the supply unit 310. Here, the first fluid is heated by the heater 390 to adjust the temperature of the first fluid that is optimal for increasing the reaction rate. A tank 390 is installed between the pump 380 and the supply part 310 to be used as a temporary storage space and a heating space of the heater 390.
공급부(310)를 통하여 공급된 제1 유체는 반응관(110)을 채운다. 반응관(110) 내부에 설치된 노즐(120)을 통하여 제2 유체를 미세 입자로 분사한다. 미세 입자에 의한 계면 확장 효과, 거품 상의 지방산 금속염 발생을 억제하는 미세 입자의 효과, 제1 유체 가열에 의한 화학적 효과, 반응관(110) 내부의 난류 유동에 의한 물리적 혼합 효과에 의하여 원하는 반응 속도로 반응관(110) 내부에서 에스테르교환반응이 일어난다. The first fluid supplied through the supply unit 310 fills the reaction tube 110. The second fluid is injected into the fine particles through the nozzle 120 installed inside the reaction tube 110. At the desired reaction rate by the interfacial expansion effect by the fine particles, the effect of the fine particles to suppress the generation of fatty acid metal salts on the foam, the chemical effect by the first fluid heating, the physical mixing effect by the turbulent flow inside the reaction tube 110 The transesterification reaction takes place inside the reaction tube (110).
반응관(110) 내부의 혼합 유체는 제1 배출관(190) 및 제1 밸브(195)를 거쳐 외부로 배출된다. 이때, 제1 밸브(195)는 개방 상태이고, 반응 유니트(100) 및 믹서 유니트(200)를 연결하는 제2 밸브(295)는 폐쇄 상태이다. The mixed fluid inside the reaction tube 110 is discharged to the outside via the first discharge pipe 190 and the first valve 195. At this time, the first valve 195 is in an open state, and the second valve 295 connecting the reaction unit 100 and the mixer unit 200 is in a closed state.
(2) 반응 유니트(100) 및 믹서 유니트(200) 1 순환에 의한 생산 방법(제2 모드) : (2) Production method by the circulation of reaction unit 100 and mixer unit 200 (second mode):
펌프(380)를 구동하여 탱크(330) 내부에 제1 유체를 공급하고, 히터(390)로 제1 유체를 가열한다. The pump 380 is driven to supply the first fluid into the tank 330, and the first fluid is heated by the heater 390.
반응관(110)에 제1 유체가 채워지면 노즐(120)을 통하여 제2 유체가 분사된다. 에스테르교환반응이 1차 진행된 혼합 유체는 제1 배출관(190), 제1 바이패스관(201)을 거쳐 믹서 유니트(200)로 공급된다. 여기서, 제1 밸브(195)는 폐쇄 상태이므로 혼합 유체가 외부로 배출되지 못한다. When the first fluid is filled in the reaction tube 110, the second fluid is injected through the nozzle 120. The mixed fluid having the first transesterification reaction is supplied to the mixer unit 200 via the first discharge pipe 190 and the first bypass pipe 201. Here, since the first valve 195 is in a closed state, the mixed fluid cannot be discharged to the outside.
상기 혼합 유체는 유체의 연속성에 의하여 인라인 믹서(210) 내부를 유동하며 스태틱 블레이드(212)와 마찰 및 충돌에 의한 물리적 혼합력에 의하여 에스테르 교환반응이 2차 진행된다. The mixed fluid flows inside the in-line mixer 210 due to the continuity of the fluid, and the transesterification reaction is secondarily performed by the physical mixing force caused by friction and collision with the static blade 212.
인라인 믹서(210)를 통과한 혼합 유체는 제2 배출관(290) 및 제2 밸브(295)를 거쳐 외부로 배출된다. 이때, 믹서 유니트(200) 및 탱크(330) 사이에 위치한 제3 밸브(395)는 폐쇄 상태이다. The mixed fluid passing through the in-line mixer 210 is discharged to the outside via the second discharge pipe 290 and the second valve 295. At this time, the third valve 395 located between the mixer unit 200 and the tank 330 is in a closed state.
(3) 반응 유니트(100) 및 믹서 유니트(200)의 반복 순환에 의한 생산 방법(제3 모드) : (3) Production method by repeated circulation of reaction unit 100 and mixer unit 200 (third mode):
펌프(380) 구동, 히터(390) 가열, 노즐(120) 분사, 인라인 믹서(210)의 동작은 상술한 것과 동일하다. The operation of the pump 380, the heating of the heater 390, the spraying of the nozzle 120, and the operation of the inline mixer 210 are the same as described above.
인라인 믹서(210)를 통과한 혼합 유체는 제2 배출관(290) 및 제2 바이패스관(301)을 통하여 탱크(330) 및 반응 유니트(100)로 재공급된다. 반응 유니트(100) 및 믹서 유니트(200)를 반복 순환하면서 에스테르교환반응이 반복적으로 진행된다. 반응이 완료되면 펌프(380)의 구동을 중지하고 탱크(330) 내부에 수용된 혼합 유체를 외부로 배출한다. The mixed fluid that has passed through the inline mixer 210 is resupplied to the tank 330 and the reaction unit 100 through the second discharge pipe 290 and the second bypass pipe 301. The transesterification reaction proceeds repeatedly while repeatedly cycling the reaction unit 100 and the mixer unit 200. When the reaction is completed, the driving of the pump 380 is stopped and the mixed fluid contained in the tank 330 is discharged to the outside.
반응 중에, 제1 밸브(195) 및 제2 밸브(295)는 폐쇄 상태이며, 제2 배출관(290) 및 제2 바이패스관(301)을 연결하는 제3 밸브(395)는 개방 상태이다. During the reaction, the first valve 195 and the second valve 295 are in a closed state, and the third valve 395 connecting the second discharge pipe 290 and the second bypass pipe 301 is in an open state.
도 4 내지 도 6은 반응 유니트(100) 내부를 촬영한 사진으로서, 도 4는 분사 전, 도 5는 분사 직후, 도 6은 최대 분사 상태를 나타낸다. 분사 정도에 따라 반응관(110) 내부의 난류 유동 상태 및 미세 입자의 계면 확장 효과에 따른 획기적인 반응성 증대를 가시적으로 볼 수 있다. 4 to 6 are photographs taken inside the reaction unit 100. FIG. 4 shows before the injection, FIG. 5 immediately after the injection, and FIG. 6 shows the maximum injection state. Depending on the degree of injection, it is possible to visually see a dramatic increase in reactivity due to the turbulent flow state inside the reaction tube 110 and the effect of interfacial expansion of the fine particles.
도 7은 노즐(120) 유무에 따른 혼합 유체의 생산성을 비교한 그래프이다. 7 is a graph comparing the productivity of the mixed fluid with or without the nozzle 120.
이를 참조하면, 노즐(120)을 이용한 반응의 경우 메틸에스테르(Methylester)의 함량이 노즐(120)이 마련되지 않은 경우보다 더 짧은 시간 내에 최대값에 도달하였음을 알 수 있고, 이는 계면 확장 효과를 확인해 주는 결과로서 노즐(120)을 사용한 반응의 수율은 그렇지 않은 경우보다 휠씬 높은 것을 알 수 있다. Referring to this, in the case of the reaction using the nozzle 120, it can be seen that the methylester content reached a maximum value in a shorter time than when the nozzle 120 was not provided. As a result of confirming, it can be seen that the yield of the reaction using the nozzle 120 is much higher than otherwise.
[부호의 설명][Description of the code]
100 : 반응 유니트 110 : 반응관 100: reaction unit 110: reaction tube
111 : 고정 플레이트 112 : 고정봉 111: fixing plate 112: fixing rod
120 : 노즐 190 : 제1 배출관 120: nozzle 190: first discharge pipe
195 : 제1 밸브 200 : 믹서 유니트 195: first valve 200: mixer unit
201 : 제1 바이패스관 210 : 인라인 믹서 201: first bypass pipe 210: inline mixer
212 : 스태틱 블레이드 290 : 제2 배출관 212: static blade 290: second discharge pipe
295 : 제2 밸브 301 : 제2 바이패스관 295: 2nd valve 301: 2nd bypass pipe
310 : 공급부 320 : 제2 유체 공급부 310: supply part 320: second fluid supply part
330 : 탱크 380 : 펌프 330 tank 380 pump
381 : 펌프 연결관 390 : 히터 381: pump connector 390: heater
395 : 제3 밸브 395: third valve