Nieuw camerasysteem bewaakt distillatie en helpt bij energiebesparing

Markus Lichti (links) en Jonas Schulz ontwikkelen het camerasysteem. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Het systeem bewaakt de druppelvorming tijdens het destillatieproces. (Foto: TUK/Thomas Koziel)

Om chemische mengsels in hun individuele bestanddelen te scheiden, is in de industrie de energie-intensieve destillatie gangbaar, bijvoorbeeld bij de raffinage van ruwe olie. Onderzoekers van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) ontwikkelen een camerasysteem dat dit proces bewaakt. Daarbij meet het of er sprake is van sterke druppelvorming, wat de scheiding van de componenten negatief kan beïnvloeden. De techniek zou in de toekomst automatisch kunnen bijsturen wanneer de meetwaarden veranderen. Zo zou er ook energie bespaard kunnen worden. Tijdens de processtechniekbeurs Achema in Frankfurt presenteren zij de techniek van 11 tot 15 juni op de onderzoeksstand van de deelstaat Rijnland-Palts (Halle 9.2, Stand A86a).

Bij destillatie worden vloeistoffen door verdamping en daaropvolgende condensatie van de damp in hun bestanddelen gescheiden. Een bekend voorbeeld is de ruwe olie raffinage, waarbij de olie wordt gescheiden in de zwaardere stromen van zware olie tot diesel, petroleum en de lichtere stromen van kerosine of benzine. "Deze gangbare methode is verbonden met een hoog energieverbruik," zegt Jonas Schulz, die zich aan de leerstoel voor Thermische Verfahrenstechniek bij professor Dr. Hans-Jörg Bart binnen zijn promotie met de methode bezighoudt. Alleen in de Verenigde Staten is destillatie verantwoordelijk voor de helft van de energiekosten bij thermische scheidingsprocessen in de chemische industrie. Daar komen jaarlijks kosten van meer dan 100 miljard dollar bij kijken.

De ingenieurs van de TUK ontwikkelen een techniek waarmee de energie-efficiëntie in de toekomst verbeterd kan worden. Ze vertrouwen op een camerasysteem dat het proces observeert. "De destillatie in de chemische industrie vindt plaats in zogenaamde scheidingskolommen," zegt Markus Lichti, die ook betrokken is bij het project. Dit zijn cilindervormige apparaten waarin verschillende verdiepingen, zogenaamde scheidingsniveaus, zijn ingebouwd. Deze kunnen afhankelijk van de behoefte verschillend worden vormgegeven, bijvoorbeeld met zeefvormige oppervlakken.

Bij deze scheidingsmethode handelt het zich om een continu proces, waarbij aan het begin damp wordt geproduceerd door het mengsel dat gescheiden moet worden eerst in het midden van de kolom te brengen. Het stroomt over de verdiepingen naar beneden en wordt in het onderste deel van de kolom verwarmd. Als damp stijgt het uiteindelijk omhoog. Om te voorkomen dat de reactie stopt, wordt regelmatig een mengsel toegevoegd. "De damp verwarmt de vloeistof weer, die vervolgens begint te koken en als damp naar boven stijgt," legt Schulz het principe uit. "Ze koelt daarbij weer af en verzamelt zich als vloeistof op de volgende verdieping." Vervolgens verdampen de bestanddelen van de vloeistof, die een lager kookpunt hebben, opnieuw en bewegen zich in de kolom omhoog naar de volgende scheidingsniveau. Dit proces gaat over meerdere niveaus door, totdat zich op de bovenste verdieping de vloeistof heeft verzameld die het gemakkelijkst kookt.

"Bij destillatie ontstaan altijd weer verontreinigingen omdat de vloeistof niet goed in de componenten wordt gescheiden," vervolgt Lichti. Oorzaken hiervoor kunnen verschillende factoren zijn, zoals een te hoge dampstroom, te hoge druk of te weinig vloeistof in het systeem. Het kan bijvoorbeeld gebeuren dat vloeistof en damp op de bodem zeer sterk worden vermengd, zodat veel druppels uit de vloeibare fase door de damp worden meegevoerd naar boven. Experten spreken in dit verband van entrainment, dat afkomstig is van het Engelse 'to entrain' (deutsch: meeslepen). De druppels bewegen zich naar de volgende verdieping, waar ze blijven — bij de ruwe olie raffinage zouden zo bijvoorbeeld delen van de zware olie zich kunnen ophopen bij de diesel, wat de chemische eigenschappen ervan weer verandert.

Het camerasysteem van de onderzoekers uit Kaiserslautern kan hier in de toekomst uitkomst bieden: de camera bevindt zich in een sonde, een roestvrijstalen buis die de camera beschermt tegen de hete damp. De sonde wordt via een toegang in de scheidingskolom geschoven. Deze toegang werkt volgens het principe van een lade, waarin de sonde wordt vastgezet. De camera krijgt via een glazen plaat een kijkje in het binnenste van de kolom. Om contrastrijke opnames mogelijk te maken, is tegenover de camera nog de techniek voor belichting ondergebracht in een andere toegang. "Ons systeem is zo ontworpen dat deze invoeren op verschillende plaatsen in de scheidingskolom kunnen worden gepositioneerd," zegt Schulz. Op deze manier kan het proces bijvoorbeeld aan de rand of in het midden worden onderzocht. "Met behulp van de beelden zien we hoe groot de druppels zijn of hoe snel ze zich vormen," vervolgt de ingenieur. "Met onze techniek kunnen we parameters meten die voorheen niet konden worden onderzocht." De camera wordt aangestuurd via software die ook de beelden analyseert en daarbij de entrainment bepaalt. Tot nu toe waren er geen onderzoeken naar hoe dit proces precies verloopt. De gegevens die hiermee worden verzameld, geven de onderzoekers onder andere inzicht in of de parameters bij het proces anders moeten worden ingesteld.

In de toekomst zou de industrie de software kunnen gebruiken voor een automatisch regelsysteem dat bij afwijkingen van de meetwaarden bijstuurt en daarbij ook helpt om bijvoorbeeld verwarmingsprestaties te besparen en zo de bedrijfskosten te verlagen. Bovendien zou met de techniek materiaal kunnen worden bespaard, bijvoorbeeld wanneer blijkt dat bepaalde scheidingsniveaus niet nodig zijn of te groot zijn gedimensioneerd.

Op de beurs presenteren de onderzoekers uit Kaiserslautern van de afdeling werktuigbouwkunde en processtechniek hun systeem. De werkzaamheden maken deel uit van het project "Tropfenentstehung und -reduzierung in Stoffaustauschapparaten", kortweg TERESA, dat wordt gefinancierd door het Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Naast de onderzoekers van de TUK zijn hierbij betrokken de Ruhr-Universiteit Bochum, de Technische Universität Braunschweig en het Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. Uit de industrie zijn de volgende partners betrokken: HZDR Innovation GmbH en de industriële bedrijven Envimac Engineering GmbH, Falk & Thomas Engineering GmbH, Linde AG, Munters-Euroform GmbH, DencoHappel GmbH, Raschig GmbH, RVT Process Equipment GmbH en Horst Weyer und Partner GmbH.