Nouveau système de caméra surveille la distillation et aide à économiser de l'énergie

Markus Lichti (à gauche) et Jonas Schulz développent le système de caméra. (Photo : TUK/Thomas Koziel)

Le système surveille la formation de gouttes lors de la distillation. (Photo : TUK/Thomas Koziel)

Pour décomposer un mélange chimique en ses composants individuels, la distillation énergivore est couramment utilisée dans l'industrie, notamment lors du raffinage du pétrole brut. Des chercheurs de l'Université Technique de Kaiserslautern (TUK) développent un système de caméras qui surveille ce processus. Il mesure si une formation excessive de gouttelettes se produit, ce qui peut nuire à la séparation des composants. La technologie pourrait à l'avenir ajuster automatiquement le processus en cas de changement des valeurs de mesure, permettant ainsi d'économiser de l'énergie. Lors du salon de la technique des procédés Achema à Francfort, ils présenteront cette technologie du 11 au 15 juin au stand de recherche du Land de Rhénanie-Palatinat (Halle 9.2, Stand A86a).

Lors de la distillation, les liquides sont séparés en leurs composants par évaporation puis condensation de la vapeur. Un exemple connu est le raffinage du pétrole brut, qui permet de séparer le pétrole brut en mazout lourd, diesel, pétrole, puis en kérosène ou essence plus légers. « Cette méthode courante est associée à une consommation d'énergie élevée », explique Jonas Schulz, qui travaille sur cette procédure au sein du département de Technologie Thermique des Procédés sous la direction du professeur Dr. Hans-Jörg Bart dans le cadre de sa thèse. Rien qu'aux États-Unis, la distillation représente la moitié des coûts énergétiques des procédés de séparation thermique dans l'industrie chimique, avec des coûts annuels dépassant 100 milliards de dollars américains.

Les ingénieurs de la TUK développent une technique permettant d'améliorer l'efficacité énergétique à l'avenir. Ils s'appuient sur un système de caméras qui observe le processus. « La distillation dans l'industrie chimique se déroule dans ce qu'on appelle des colonnes de séparation », explique Markus Lichti, également impliqué dans le projet. Il s'agit d'un appareil cylindrique dans lequel sont intégrées plusieurs plateaux, appelés étages de séparation. Ceux-ci peuvent être conçus différemment selon les besoins, par exemple avec des plateaux à surface en forme de tamis.

Ce procédé de séparation est un processus continu, où au début, la vapeur est produite en introduisant le mélange à séparer au centre de la colonne. Elle descend à travers les plateaux et est chauffée dans la partie inférieure de la colonne. La vapeur monte ensuite vers le haut. Pour que la réaction ne s'interrompe pas, un mélange est régulièrement ajouté. « La vapeur chauffe à nouveau le liquide, qui commence à bouillir et monte sous forme de vapeur », explique Schulz. « Elle se refroidit à nouveau et s'accumule sous forme liquide sur le plateau supérieur. » Par la suite, les composants du liquide avec un point d'ébullition plus bas s'évaporent à nouveau et migrent vers le haut de la colonne vers l'étage de séparation suivant. Ce processus se répète sur plusieurs niveaux, jusqu'à ce que le liquide le plus léger se soit accumulé en haut.

« Lors de la distillation, il y a toujours des contaminations, car le liquide ne se sépare pas correctement en ses composants », poursuit Lichti. Plusieurs facteurs peuvent en être la cause, comme un flux de vapeur trop élevé, une pression trop forte ou un manque de liquide dans le système. Il peut arriver que le liquide et la vapeur soient fortement mélangés au fond, entraînant de nombreux gouttelettes de la phase liquide par la vapeur vers le haut. Les experts parlent dans ce contexte d'« entrainment », dérivé de l'anglais « to entrain » (français : entraîner). Les gouttelettes migrent vers le plateau suivant, où elles restent – dans le raffinage du pétrole brut, cela pourrait entraîner l'accumulation de parties du mazout lourd dans le diesel, modifiant ainsi ses propriétés chimiques.

Le système de caméras des chercheurs de Kaiserslautern pourra à l'avenir remédier à cela : la caméra est placée dans une sonde, un tube en acier inoxydable qui la protège de la vapeur chaude. La sonde est insérée dans la colonne de séparation via une ouverture. Cette ouverture fonctionne selon le principe d’un tiroir dans lequel la sonde est verrouillée. La caméra voit à l’intérieur de la colonne à travers une vitre en verre. Pour permettre des images à contraste élevé, une autre technique d’éclairage est installée en face dans une autre ouverture. « Notre système est conçu de manière à pouvoir positionner ces inserts à différents endroits dans la colonne de séparation », explique Schulz. Cela permet d’étudier le processus, par exemple, en périphérie ou au centre. « Grâce aux images, nous voyons la taille des gouttelettes ou la rapidité de leur formation », poursuit l’ingénieur. « Avec notre technologie, nous pouvons mesurer des paramètres qui n’étaient pas accessibles auparavant. » La caméra est contrôlée par un logiciel qui analyse également les images et détecte l’entrainment. Jusqu’à présent, aucune étude n’avait été menée sur le déroulement précis de ce processus. Les données recueillies permettent notamment aux chercheurs de déterminer si les paramètres du procédé doivent être ajustés.

À l’avenir, l’industrie pourrait utiliser ce logiciel pour un système de régulation automatique, qui ajusterait le processus en cas de déviation des valeurs de référence, tout en aidant à réduire par exemple la consommation de chauffage et ainsi diminuer les coûts d’exploitation. De plus, cette technologie permettrait d’économiser du matériau, si certaines étages de séparation s’avèrent inutiles ou surdimensionnés.

Lors du salon, les chercheurs de Kaiserslautern, issus du département de Génie Mécanique et de Technologie des Procédés, présenteront leur système. Les travaux s’inscrivent dans le cadre du projet « Formation et réduction de la formation de gouttelettes dans les appareils d’échange de substances », abrégé TERESA, financé par le ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie (BMWi). Outre les chercheurs de la TUK, y participent l’Université de Bochum, l’Université Technique de Brunswick ainsi que le Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf. Parmi les partenaires industriels figurent : HZDR Innovation GmbH, ainsi que les entreprises Envimac Engineering GmbH, Falk & Thomas Engineering GmbH, Linde AG, Munters-Euroform GmbH, DencoHappel GmbH, Raschig GmbH, RVT Process Equipment GmbH, ainsi que Horst Weyer et Partner GmbH.