Nuevo sistema de cámaras supervisa la destilación y ayuda a ahorrar energía

Markus Lichti (izquierda) y Jonas Schulz desarrollan el sistema de cámaras. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

El sistema supervisa la formación de gotas durante la destilación. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Separar una mezcla química en sus componentes individuales es una operación común en la industria, siendo la destilación la más utilizada, por ejemplo, en la refinería de petróleo crudo. Investigadores de la Universidad Técnica de Kaiserslautern (TUK) están desarrollando un sistema de cámaras que supervisa este proceso. Mide si se produce una formación excesiva de gotas, lo cual puede afectar negativamente la separación de los componentes. La tecnología podría en el futuro ajustar automáticamente el proceso si cambian los valores de medición, permitiendo también ahorrar energía. En la feria de tecnología de procesos Achema en Frankfurt, presentarán esta tecnología del 11 al 15 de junio en el stand de investigación del estado de Renania-Palatinado (Hall 9.2, Stand A86a).

En la destilación, los líquidos se separan en sus componentes mediante vaporización y posterior condensación del vapor. Un ejemplo conocido es la refinería de petróleo crudo, donde el petróleo se divide en fracciones más pesadas como el fuelóleo, y en fracciones más ligeras como diésel, petróleo, queroseno o gasolina. "Este método común consume mucha energía", dice Jonas Schulz, quien trabaja en la cátedra de Tecnologías Térmicas de Procesos bajo la supervisión del profesor Dr. Hans-Jörg Bart en el marco de su doctorado. Solo en Estados Unidos, la destilación representa la mitad de los costos energéticos en los procesos de separación térmica en la industria química, con costos anuales superiores a 100 mil millones de dólares.

Los ingenieros de la TUK están desarrollando una tecnología que puede mejorar la eficiencia energética en el futuro. Utilizan un sistema de cámaras que observa el proceso. "La destilación en la industria química se realiza en columnas de separación", explica Markus Lichti, también involucrado en el proyecto. Estas son dispositivos cilíndricos en los que se colocan pisos o etapas de separación, que pueden diseñarse de diferentes maneras según la necesidad, por ejemplo, con superficies de rejilla.

Este método de separación es un proceso continuo, en el que inicialmente se produce vapor al introducir la mezcla a separar en el centro de la columna. El vapor desciende por los pisos y se calienta en la parte inferior de la columna. Luego, el vapor sube hacia arriba. Para que la reacción no se detenga, se suministra regularmente la mezcla. "El vapor calienta el líquido, que empieza a hervir y sube como vapor", explica Schulz. "Luego se enfría y se acumula como líquido en el siguiente piso". Como resultado, los componentes del líquido con puntos de ebullición más bajos se vaporizan nuevamente y suben en la columna hacia la siguiente etapa de separación. Este proceso continúa en varias etapas hasta que en la parte superior se acumula la sustancia con el punto de ebullición más bajo.

"En la destilación, siempre hay contaminantes porque la sustancia no se separa correctamente en sus componentes", continúa Lichti. Las causas pueden ser diversas, como un flujo de vapor demasiado alto, una presión excesiva o poca cantidad de líquido en el sistema. Por ejemplo, puede ocurrir que el líquido y el vapor se mezclen muy intensamente en el piso, arrastrando muchas gotas de la fase líquida con el vapor hacia arriba. Los expertos llaman a esto entrainment, del inglés "to entrain" (llevar consigo). Las gotas se desplazan al siguiente piso, donde permanecen, lo que en la refinería de petróleo crudo podría acumular partes del fuelóleo en el diésel, alterando sus propiedades químicas.

El sistema de cámaras de los investigadores de Kaiserslautern puede solucionar esto en el futuro: la cámara está en una sonda, un tubo de acero inoxidable que la protege del vapor caliente. La sonda se inserta a través de una abertura en la columna de separación. Esta abertura funciona como un cajón en el que se fija la sonda. La cámara tiene una vista interior a través de un cristal. Para obtener imágenes con buen contraste, justo enfrente se instala otra tecnología para la exposición en una segunda abertura. "Nuestro sistema está diseñado para que estas inserciones puedan colocarse en diferentes lugares de la columna de separación", explica Schulz. De esta forma, se puede estudiar el proceso en el borde o en el centro. "Con las imágenes, podemos ver qué tan grandes son las gotas o qué tan rápido se forman", añade el ingeniero. "Con nuestra tecnología, podemos medir parámetros que antes no se podían analizar". La cámara se controla mediante un software que también evalúa las imágenes y detecta el entrainment. Hasta ahora, no existían estudios sobre cómo ocurre exactamente este proceso. Los datos obtenidos ayudan a los investigadores a decidir si es necesario ajustar los parámetros del proceso.

En el futuro, la industria podría usar este software para un sistema de control automático que ajuste el proceso si los valores de medición se desvían de la norma, ayudando a reducir el consumo de calefacción y, en consecuencia, los costos operativos. Además, con esta tecnología se podría ahorrar material, si se demuestra que ciertas etapas de separación no son necesarias o están sobredimensionadas.

En la feria, los investigadores de Kaiserslautern del departamento de Ingeniería Mecánica y Tecnología de Procesos presentarán su sistema. Los trabajos se llevan a cabo en el marco del proyecto "Formación y reducción de gotas en dispositivos de intercambio de sustancias", conocido como TERESA, financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWi). Además de los investigadores de la TUK, participan la Universidad de Ruhr en Bochum, la Universidad Técnica de Braunschweig y el Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf. Entre los socios industriales están: HZDR Innovation GmbH, y las empresas Envimac Engineering GmbH, Falk & Thomas Engineering GmbH, Linde AG, Munters-Euroform GmbH, DencoHappel GmbH, Raschig GmbH, RVT Process Equipment GmbH, y Horst Weyer y Partner GmbH.