Til hovedinnhold

Avslører reaktorens indre liv

Avslører reaktorens indre liv

Publisert 17. juni 2014
Det som skjer inne i kjemiske reaktorer og smelteovner har vært godt bevarte hemmeligheter. Til nå.
Main intro image
Knut Thorshaug (t.v.) og Alain Ferber bruker infrarødt emisjons-spektroskopi for å "lese av" den infrarøde varmestrålingen i reaktorer. Det avslører gasser og temperaturer som dannes - og gir ny kunnskap om hva som egentlig skjer i en reaktor. Foto: Werner Juvik/SINTEF.

Hva er en reaktor?

En reaktor er den enheten i prosessutstyr hvor en eller flere kjemiske reaksjoner finner sted. Betingelsene i reaktoren er med på å bestemme kvaliteten på produktet, og derfor er kunnskap om hva som skjer i en reaktor viktig for å få et best mulig produkt til en lavest mulig produksjonskostnad.

 

Astronomene bruker teknologien til å se ut i universets uendelighet når de studerer stjerner og planeter. Norske forskere er litt mer jordnære. De bruker den til å avsløre hva som skjer i ulike reaktorer. Teknologien det snakkes om er infrarød emisjons-spektroskopi.

– Målet er å forstå de kjemiske reaksjonene i ulike industrireaktorer, slik at vi kan forbedre dem så de blir mer effektive og mer miljøvennlige, sier forsker og prosjektleder i SINTEF, Knut Thorshaug.

Fra før vet fagfolk hva som puttes inn i en reaktor – og hva som kommer ut. Men detaljene på det som skjer rent kjemisk, har vært vanskelige å avsløre. Kanskje ikke så rart når man tenker på at for eksempel en reaktor opererer på flere hundre grader celsius, mens en smelteovn gjerne ligger godt over 1400 grader celsius. Det tar knekken på det meste av måleutstyr.

Portabelt utstyr

Men med infrarødt emisjons-spektroskopi kan forskerne “lese av” den infrarøde varmestrålingen i reaktoren, for å avsløre gasser og temperaturer som dannes.

Alt som har temperatur over det absolutte nullpunkt sender nemlig ut infrarød stråling, men intensiteten av strålingen øker og bølgelengden avtar sterkt med økende temperatur.

– Litt forenklet kan vi si at vi leser av bølgelengden og intensiteten i de infrarøde bølgene som sendes ut (emitteres) fra de varme gassene. Informasjonen som ligger i bølgelengden og intensiteten forteller oss hva som skjer i de kjemiske prosessene. Denne informasjonen kan for eksempel benyttes til å forbedre eksisterende prosesser og utvikle nye katalysatorer, sier Thorshaug.

Tåler ekstreme påkjenninger

Selv om utstyret er avansert, ser det ikke særlig spesielt ut. For deg og meg vil det rett og slett se ut som en liten svart boks koblet til en bærbar pc.

Selve sensoren er bygget i safir-glass, og tåler svært høye temperaturer. Foto: Werner Juvik/SINTEF.

Selve sensoren er bygget i safir-glass, og tåler svært høye temperaturer. Foto: Werner Juvik/SINTEF.

Klikk for å åpne

– Fordi det ikke er stort og tungt, er det nå mulig å ta det med ut til stedet hvor reaktoren befinner seg. Som i en fabrikk eller et smelteverk, og det er en stor fordel, for industrien, forklarer Thorshaug.

Innholdet, derimot, er langt mer avansert enn det ser ut: Dataprogrammene som brukes for å tolke dataene, er utviklet av forskere ved SINTEF IKT, mens deler av utstyret er spesialbygget i safirglass, som tåler svært høye temperaturer.

– Dette fikk vi spesialbygget i Sveits, etter å ha brukt mye tid på å finne et selskap som kunne bygge utstyret i safir etter våre spesifikasjoner, forklarer forskeren.

Utstyret kan derfor benyttes til å studere hydrokarboner, vann, karbonmonoksid og karbondioksid ved temperaturer i området 500-700⁰C.

– Metoden gir oss en unik mulighet til å se hva som skjer når det skjer – i såkalt sanntid. Vi kan også lese av temperaturene med denne metoden. Det er viktig fordi temperaturen forteller om prosessen går som den skal.

I smeltedigelen

Så langt har SINTEF analysert avgassene fra smelteovnene ved Thamshamn Smelteverk. Her har forskerne også brukt metoden til å måle temperaturen på avgassen og finne ut hvor mye fast stoff (silika) som følger med den på vei ut i lufta.

Prinsippet har også vist seg godt egnet for å måle og analysere utslipp fra fabrikkpiper.

– Nå kan vi se hvilke forurensende stoffer som røyken inneholder, og om det finnes forbindelser i den som kanskje kunne vært utnyttet bedre, sier Thorshaug.

På laboratoriet er metoden velegnet til å studere miniatyrversjoner av industrielle reaktorer, noe som er viktig i arbeidet med å utvikle nye og bedre fabrikkprosesser.

Kan brukes til mangt

Men bruksområdene for denne typen spektroskopi er i følge Thorshaug langt mer omfattende:

– Vi ser for oss at teknologien kan brukes til både kontroll, styring og overvåkning av kjemiske prosesser. Vi har også utviklet en laboratoriemodell hvor vi bruker samme teknologi for å analysere reaksjonene i ulike katalyseprosesser.

FAKTA:

Ved utvikling, forbedring og overvåkning av industrielle kjemiske prosesser, er det viktig å ha en best mulig forståelse av de kjemiske reaksjonene som finner sted. Infrarød spektroskopi er en velkjent analysemetode, men ved høye prøvetemperaturer kompliseres analysen fordi det ofte er vanskelig å sikre en stabil strålingskilde med en fri absorbsjonsbane gjennom prosessen.

 

Dette problemet kan løses ved å studere kun den emitterte energien (energien som stråler ut fra prosessen). Teknikken er kjent som infrarød emisjonsspektroskopi (IRES), og har blant annet vært brukt innen både studier av molekyler på jorden og langt ute i verdensrommet.

Basert på dette prinsippet har nå forskere ved SINTEF, i samarbeid med blant annet inGAP, et nasjonalt senter for forskningsdrevet innovasjon, www.mn.uio.no/ingap, Dynea, Ferrolegeringsindustriens Forskningsforening (FFF), Elkem og annen norsk industri, utviklet en metode for analyse av varme gasser. Metoden kan brukes både for å overvåke og måle hva som skjer i ulike industrireaktorer, men kan også benyttes for å analysere katalyseprosesser.

Denne saken er hentet fra Gemini.no - Forskningsnytt fra NTNU og SINTEF

Seniorforsker