Nuovo sistema di telecamere monitora la distillazione e aiuta a risparmiare energia

Markus Lichti (a sinistra) e Jonas Schulz sviluppano il sistema di fotocamere. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Il sistema monitora la formazione di gocce durante la distillazione. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Per separare le miscele chimiche nei loro singoli componenti, in ambito industriale si utilizza comunemente la distillazione energeticamente dispendiosa, ad esempio nelle raffinerie di petrolio. Ricercatori della Technische Universität Kaiserslautern (TUK) stanno sviluppando un sistema di telecamere che monitora questo processo. Esso misura se si verifica una forte formazione di gocce, cosa che può influire negativamente sulla separazione dei componenti. La tecnologia potrebbe in futuro autoregolarsi automaticamente in caso di variazioni dei valori di misurazione, consentendo anche di risparmiare energia. Alla fiera di tecnologia di processo Achema a Francoforte, presenteranno questa tecnologia dal 11 al 15 giugno presso lo stand di ricerca del Land Rheinland-Pfalz (Padiglione 9.2, Stand A86a).

Durante la distillazione, i liquidi vengono separati nelle loro componenti attraverso vaporizzazione e successiva condensazione del vapore. Un esempio noto è la raffineria di petrolio, che permette di dividere il greggio in gregolio pesante, diesel, petrolio, fino a carburanti più leggeri come cherosene o benzina. "Questo metodo comune è associato a un elevato consumo energetico", afferma Jonas Schulz, che si occupa di questa tecnologia presso il Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik del Professor Dr. Hans-Jörg Bart nel contesto del suo dottorato. Solo negli Stati Uniti, la distillazione rappresenta metà dei costi energetici delle tecniche di separazione termiche dell'industria chimica. Ciò comporta costi annui superiori ai 100 miliardi di dollari.

Gli ingegneri della TUK stanno sviluppando una tecnologia che potrebbe migliorare l'efficienza energetica in futuro. Si affidano a un sistema di telecamere che osserva il processo. "La distillazione nell'industria chimica avviene in cosiddette colonne di separazione", spiega Markus Lichti, coinvolto nel progetto. Si tratta di un apparecchio cilindrico in cui sono installate diverse piastre, chiamate piastre di separazione. Queste possono essere progettate diversamente a seconda delle esigenze, ad esempio con superfici a rete.

Il metodo di separazione è un processo continuo, in cui all'inizio si produce vapore facendo passare il miscuglio da separare al centro della colonna. Il vapore scende attraverso le piastre e viene riscaldato nella parte inferiore della colonna. Come vapore, sale verso l'alto. Per evitare che la reazione si interrompa, si immette regolarmente miscela. "Il vapore riscalda il liquido, che inizia a bollire e sale come vapore", spiega Schulz il principio. "Si raffredda di nuovo e si accumula come liquido sulla piastra superiore." Di conseguenza, i componenti del liquido con punti di ebollizione più bassi evaporano di nuovo e risalgono nella colonna verso la prossima piastra di separazione. Questo processo si ripete su più livelli, fino a che sulla piastra superiore si accumula il liquido con il punto di ebollizione più basso.

"Durante la distillazione si verificano spesso contaminazioni, poiché il liquido non si separa correttamente nei suoi componenti", prosegue Lichti. Le cause possono essere diverse, come un flusso di vapore troppo elevato, una pressione troppo alta o una quantità insufficiente di liquido nel sistema. Può capitare, ad esempio, che liquido e vapore si mescolino molto intensamente sulla piastra, trascinando molte gocce di fase liquida verso l'alto con il vapore. Gli esperti chiamano questo fenomeno entrainment, dal termine inglese "to entrain" (deutsch: mitreißen). Le gocce si spostano sulla piastra successiva, dove rimangono – nel caso di una raffineria di petrolio, parti del gregolio pesante potrebbero accumularsi nel diesel, alterandone le proprietà chimiche.

Il sistema di telecamere dei ricercatori di Kaiserslautern può risolvere questo problema in futuro: la telecamera si trova in una sonda, un tubo in acciaio inossidabile che la protegge dal vapore caldo. La sonda viene inserita attraverso un'apertura nella colonna di separazione. Questa apertura funziona come un cassetto, in cui la sonda viene bloccata. La telecamera riceve uno sguardo all’interno della colonna attraverso un vetro. Per consentire riprese ad alto contrasto, di fronte è installata anche una tecnologia di illuminazione in un’altra apertura. "Il nostro sistema è progettato in modo che queste inserzioni possano essere posizionate in vari punti della colonna di separazione", spiega Schulz. In questo modo, il processo può essere studiato ad esempio ai margini o al centro. "Con le immagini, possiamo vedere quanto sono grandi le gocce o quanto rapidamente si formano", aggiunge l’ingegnere. "Con la nostra tecnologia, possiamo misurare parametri che prima non erano accessibili." La telecamera è controllata da un software che analizza le immagini e determina l’entainment. Finora non ci sono state ricerche dettagliate su come avvenga esattamente questo processo. I dati raccolti forniscono ai ricercatori informazioni, tra l’altro, sul fatto se i parametri del processo debbano essere regolati diversamente.

In futuro, l’industria potrebbe utilizzare il software per un sistema di controllo automatico, che interviene quando i valori di misurazione si discostano dalla norma, contribuendo anche a risparmiare energia termica e ridurre i costi operativi. Inoltre, questa tecnologia potrebbe consentire di risparmiare materiali, ad esempio se si dimostra che alcuni livelli di separazione non sono necessari o sono sovradimensionati.

Alla fiera, i ricercatori di Kaiserslautern del dipartimento di ingegneria meccanica e tecnologia dei processi presenteranno il loro sistema. Il lavoro fa parte del progetto "Formazione e riduzione delle gocce in apparecchi di scambio di sostanze", abbreviato TERESA, finanziato dal Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Oltre ai ricercatori della TUK, partecipano anche l’Università Ruhr di Bochum, la Technische Universität Braunschweig e il Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. Tra i partner industriali figurano: HZDR Innovation GmbH, Envimac Engineering GmbH, Falk & Thomas Engineering GmbH, Linde AG, Munters-Euroform GmbH, DencoHappel GmbH, Raschig GmbH, RVT Process Equipment GmbH e Horst Weyer und Partner GmbH.