Nový kamerový systém monitoruje destilaci a pomáhá šetřit energii

Markus Lichti (vlevo) a Jonas Schulz vyvíjejí kamerový systém. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Systém sleduje tvorbu kapek při destilaci. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Pro rozdělení chemických směsí na jejich jednotlivé složky je v průmyslu běžně používána energeticky náročná destilace, například při rafinaci ropy. Výzkumníci z Technické univerzity Kaiserslautern (TUK) vyvíjejí kamerový systém, který tento proces monitoruje. Měří, zda dochází k silnému tvorbě kapek, což může negativně ovlivnit oddělení složek. Technologie by mohla v budoucnu automaticky zasahovat, pokud se mění hodnoty měření. Tím by se dalo také ušetřit energie. Na veletrhu procesní techniky Achema ve Frankfurtu představí tuto technologii od 11. do 15. června na stánku spolku Rheinland-Pfalz (hala 9.2, stánek A86a).

Při destilaci jsou kapaliny oddělovány odpařováním a následnou kondenzací páry na jejich složky. Známým příkladem je rafinace ropy, při níž se ropa dělí na těžší složky, jako je těžké topné oleje, nafty, petrolej nebo lehčí složky, jako jsou kerosen nebo benzín. „Tato běžná metoda je spojena s vysokou spotřebou energie,“ říká Jonas Schulz, který se v rámci svého doktorského studia na katedře termických procesů u profesora Dr. Hans-Jörga Barta zabývá právě tímto procesem. Pouze ve Spojených státech je destilace zodpovědná za polovinu energetických nákladů na tepelné separační procesy v chemickém průmyslu. Ročně se na to vynaloží náklady přesahující 100 miliard dolarů.

Inženýři z TUK vyvíjejí technologii, která by mohla v budoucnu zlepšit energetickou účinnost. Používají kamerový systém, který proces sleduje. „Destilace v chemickém průmyslu probíhá v takzvaných separačních kolonách,“ říká Markus Lichti, který je rovněž zapojen do projektu. Jde o jakýsi válcovitý přístroj, do kterého jsou zabudovány jednotlivé patra, takzvané separační stupně. Ty mohou být podle potřeby různě konstruovány, například s mřížkovým povrchem.

Jedná se o kontinuální proces, při němž se na začátku produkuje pára, když se směs, kterou je třeba oddělit, nejprve přivádí do středu kolony. Prochází přes patra směrem dolů a v dolní části kolony se zahřívá. Jako pára stoupá nakonec vzhůru. Aby reakce neustala, je pravidelně dávkována směs. „Pára opět ohřívá kapalinu, která následně začne vařit a jako pára stoupá vzhůru,“ vysvětluje Schulz princip. „Chladí se opět a shromažďuje se jako kapalina na nejvyšším patře.“ Následně se složky kapaliny s nižšími body varu znovu odpařují a putují v koloně vzhůru k dalšímu separačnímu stupni. Tento proces probíhá přes několik úrovní, dokud se na nejvyšším patře neshlukne kapalina s nejnižším bodem varu.

„Při destilaci dochází stále k znečištění, protože se kapalina správně nerozděluje na složky,“ pokračuje Lichti. Příčiny mohou být různé, například příliš vysoký parní tok, příliš vysoký tlak nebo nedostatek kapaliny v systému. Může se stát, že se kapalina a pára na patře velmi silně promíchají, takže se mnoho kapek z kapalné fáze „sveze“ s parou vzhůru. Experti v tomto souvislosti mluví o entrainmentu, což pochází z anglického „to entrain“ (česky: unést). Kapky putují na další patro, kde zůstávají – například v rafinaci ropy by se tak mohly shromažďovat části těžkého topného oleje v naftě, což opět mění její chemické vlastnosti.

Kamerový systém vědců z Kaiserslauternu může v budoucnu pomoci: Kamera je umístěna v sondě, což je trubka z nerezové oceli, která ji chrání před horkou parou. Sonda se zasouvá přes přístup do separační kolony. Tento přístup je podobný zásuvce, ve které je sonda zajištěna. Kamera skrze skleněnou desku poskytuje pohled dovnitř kolony. Aby bylo možné pořídit kontrastní snímky, je naproti umístěna technika pro osvětlení v dalším přístupu. „Náš systém je navržen tak, že tyto vložky lze umístit na různá místa v separační koloně,“ říká Schulz. Tím je možné sledovat proces například na okraji nebo uprostřed. „Pomocí obrázků vidíme, jak velké jsou kapky nebo jak rychle se tvoří,“ dodává inženýr. „S naší technologií můžeme měřit parametry, které dříve nebylo možné zkoumat.“ Kamera je ovládána softwarem, který také analyzuje snímky a určuje entrainment. Dosud nebyly žádné studie, jak přesně tento proces probíhá. Data získaná zde nám například poskytují informace o tom, zda je třeba parametry procesu upravit.“

V budoucnu by průmysl mohl využívat software pro automatický řídicí systém, který by zasahoval, pokud měřené hodnoty odchýlí od normy, a zároveň pomáhal například šetřit topné výkony a tím snižovat provozní náklady. Navíc by se technologií daly ušetřit materiály, pokud by se ukázalo, že některé separační stupně nejsou nutné nebo jsou příliš velké.

Na veletrhu představí vědci z Kaiserslauternu ze strojní a procesní techniky svůj systém. Práce jsou součástí projektu „Tvorba a snížení tvorby kapek v látkových výměnných zařízeních“, zkráceně TERESA, který je financován Spolkovým ministerstvem hospodářství a energie (BMWi). Kromě výzkumníků z TUK se na něm podílejí Ruhr-Universität Bochum, Technická univerzita Braunschweig a Helmholtzovo centrum Dresden-Rossendorf. Z průmyslových partnerů jsou zapojeny společnosti HZDR Innovation GmbH, Envimac Engineering GmbH, Falk & Thomas Engineering GmbH, Linde AG, Munters-Euroform GmbH, DencoHappel GmbH, Raschig GmbH, RVT Process Equipment GmbH a Horst Weyer and Partner GmbH.