Nowy system kamerowy nadzoruje destylację i pomaga oszczędzać energię

Markus Lichti (z lewej) i Jonas Schulz opracowują system kamer. (Zdjęcie: TUK/Thomas Koziel)

System monitoruje tworzenie kropli podczas destylacji. (Zdjęcie: TUK/Thomas Koziel)

Aby rozdzielić mieszaninę chemiczną na jej poszczególne składniki, w przemyśle powszechnie stosuje się energochłonną destylację, na przykład podczas rafinacji ropy naftowej. Naukowcy z Politechniki Kaiserslautern (TUK) opracowują system kamerowy, który monitoruje ten proces. Mierzy on, czy dochodzi do silnego tworzenia się kropli, co może negatywnie wpływać na rozdział składników. Technologia ta mogłaby w przyszłości automatycznie reagować na zmiany wartości pomiarowych, co pozwoliłoby na oszczędność energii. Na targach procesowych Achema we Frankfurcie prezentują tę technologię od 11 do 15 czerwca na stoisku badawczym landu Rheinland-Pfalz (Hala 9.2, stanowisko A86a).

Podczas destylacji ciecz jest rozdzielana na składniki przez parowanie i następne skraplanie pary. Znanym przykładem jest rafineria ropy naftowej, w której surowa ropa jest rozdzielana na cięższe i lżejsze frakcje, od ciężkiego oleju, przez olej napędowy, naftę, aż po lekkie kerasy czy benzyny. „To powszechne Verfahren jest związane z dużym zużyciem energii”, mówi Jonas Schulz, który w ramach swojej pracy doktorskiej zajmuje się tym procesem na Wydziale Technologii Termicznej u profesora dr. Hansa-Jörga Barta. Tylko w Stanach Zjednoczonych destylacja odpowiada za połowę kosztów energii w termicznych procesach rozdzielania w przemyśle chemicznym. Rocznie wydatki sięgają ponad 100 miliardów dolarów.

Inżynierowie z TUK opracowują technologię, która w przyszłości pozwoli na poprawę efektywności energetycznej. Stawiają na system kamerowy, który obserwuje cały proces. „Destylacja w przemyśle chemicznym odbywa się w tak zwanych kolumnach rozdzielczych”, mówi Markus Lichti, który również bierze udział w projekcie. Są to urządzenia w kształcie cylindra, w których zamontowane są różne poziomy, zwane stopniami rozdzielczymi. Mogą one mieć różne konstrukcje, na przykład z powierzchnią o strukturze siatki.

Metoda ta jest procesem ciągłym, w którym na początku wytwarzany jest pary, a mieszanina do rozdzielenia jest najpierw wprowadzana do środka kolumny. Przepływa ona przez poziomy na dół i jest podgrzewana w dolnej części kolumny. Para unosi się następnie ku górze. Aby reakcja nie ustała, regularnie podawana jest mieszanka. „Para podgrzewa ciecz, która zaczyna wrzeć i unosi się jako para do góry”, wyjaśnia Schulz. „Podczas tego procesu chłodzi się i zbiera jako ciecz na kolejnym poziomie.” W efekcie składniki cieczy o niższej temperaturze wrzenia odparowują ponownie i przemieszczają się w kolumnie ku kolejnym stopniom rozdzielczym. Proces ten przebiega na kilku poziomach, aż na najwyższym poziomie zgromadzi się ciecz o najniższej temperaturze wrzenia.

„Podczas destylacji dochodzi do ciągłych zanieczyszczeń, ponieważ ciecz nie rozdziela się poprawnie na składniki”, kontynuuje Lichti. Przyczyny tego mogą być różne, na przykład zbyt duży strumień pary, zbyt wysokie ciśnienie lub zbyt mała ilość cieczy w systemie. Może się zdarzyć, że ciecz i para na poziomie bardzo się mieszają, przez co wiele kropli z fazy ciekłej jest „zabranych” przez parę i unosi się do góry. Eksperci mówią w tym kontekście o zjawisku entrainment, które pochodzi z angielskiego „to entrain” (pol. porwać). Krople przemieszczają się na kolejny poziom, gdzie pozostają – w przypadku rafinerii ropy naftowej, mogą się tam gromadzić części ciężkiego oleju, co zmienia jego właściwości chemiczne.

System kamerowy naukowców z Kaiserslautern może w przyszłości temu zapobiec: kamera znajduje się w sondzie, rurze ze stali nierdzewnej, która chroni ją przed gorącą parą. Sonda jest wciągana przez dostęp do kolumny rozdzielczej. Ten dostęp działa na zasadzie szuflady, w której zablokowana jest sonda. Kamera widzi do wnętrza kolumny przez szybę. Aby umożliwić kontrastowe nagrania, naprzeciwko znajduje się również technologia do oświetlenia, umieszczona w innym dostępie. „Nasz system jest tak zaprojektowany, że te wkładki mogą być umieszczane w różnych miejscach kolumny rozdzielczej”, mówi Schulz. Dzięki temu można badać proces na przykład na obrzeżach lub w środku. „Za pomocą obrazów widzimy, jak duże są krople lub jak szybko się tworzą”, dodaje inżynier. „Nasza technologia pozwala nam mierzyć parametry, które wcześniej nie były możliwe do zbadania.” Kamera jest sterowana za pomocą oprogramowania, które analizuje obrazy i określa entrainment. Dotychczas nie przeprowadzano badań, jak dokładnie przebiega ten proces. Zebrane dane pomagają naukowcom między innymi w ustaleniu, czy parametry procesu należy zmienić.

W przyszłości przemysł mógłby korzystać z oprogramowania do automatycznego systemu sterowania, który reagowałby na odchylenia od normy, pomagając na przykład oszczędzać energię grzewczą i obniżać koszty operacyjne. Ponadto technologia ta pozwoliłaby na oszczędność materiałów, jeśli okazałoby się, że niektóre stopnie rozdzielcze są zbędne lub zbyt duże.

Na targach naukowcy z Kaiserslautern z Wydziału Budowy Maszyn i Technologii Procesowej prezentują swój system. Prace są częścią projektu „Tworzenie kropli i ich redukcja w urządzeniach wymiany substancji”, zwanym TERESA, finansowanego przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii (BMWi). Oprócz naukowców z TUK, w projekcie biorą udział Uniwersytet Ruhr w Bochum, Politechnika Braunschweig oraz Centrum Helmholtza w Dreznie-Rossendorf. Wśród partnerów przemysłowych są: HZDR Innovation GmbH oraz firmy Envimac Engineering GmbH, Falk & Thomas Engineering GmbH, Linde AG, Munters-Euroform GmbH, DencoHappel GmbH, Raschig GmbH, RVT Process Equipment GmbH oraz Horst Weyer and Partner GmbH.