Chemische Reaktionstechnik en haar rol in de transformatie

© AdobeStock/179268256/Ivan Traimak

© AdobeStock/408311903/Sergey Ryzhov

© AdobeStock/261545234/Grispb

© AdobeStock/394872322/gen_A

De chemische reactie- en processtechniek ligt op de snijvlakken van chemie en procesindustrie. Wie spreekt over opschaling van processen, elektrificatie of het gebruik van waterstof, moet de reactie- en processtechniek automatisch meedenken: Zij bepaalt de reactieomstandigheden, regelt wat wanneer waar gebeurt, zorgt voor energie-efficiëntie en beïnvloedt de producteigenschappen.

Drie trends maken volgens experts momenteel vooral indruk in de reactie- en processtechniek:

– op een fundamenteel begrip van reactors en reacties gebaseerde geïntegreerde product- en procesontwerp
– procesdiagnostiek op basis van modellen, operando-onderzoeken en procesgegevens
– elektrificatie van chemische processen en de elektrochemische en chemische energiebuffer op grote schaal.

Nieuwe diagnostische methoden, een beter procesbegrip en de op maat gemaakte productie van reactors en componenten, bijvoorbeeld met behulp van 3D-printen, maken het mogelijk om nieuwe apparatuur te leveren die voldoet aan de eisen die voortvloeien uit de innovatieve processen.

Van laboratorium tot industrieel proces

Steeds vaker wordt gezocht naar een zo volledig mogelijk naadloze route van het eerste idee via de laboratoriumreactor tot het grootschalige proces, om knelpunten bij opschaling te voorkomen en nieuwe processen snel in de praktijk te brengen. Diverse diagnostische en modelleringstechnieken helpen daarbij. Al in de laboratoriumfase zijn de reactors uitgebreid instrumenteerd, zodat een nauwkeurige controle over de reactieomstandigheden zoals temperatuur, partialdrukken, doorlooptijden etc. mogelijk is. Daarnaast zijn gemakkelijk configureerbare systemen voor procesautomatisering beschikbaar, om de vaak parallel geïnstalleerde reactors ook over langere tijd automatisch te kunnen bedienen. Automatische gegevensverzameling en -verwerking vergemakkelijkt de interpretatie van de experimentele resultaten en vormt de basis voor een continue opschaling van de processen.

Hoe nauwkeuriger de kennis over stoïchiometrie, thermodynamica, kinetiek, transportverschijnselen en relevante veiligheidsgegevens, des te beter de prestaties van het proces op industriële schaal kunnen worden voorspeld. Uit deze parameters kunnen reactietijden en stroom- of warmtebehoefte of -productie worden berekend. Als transportprocessen worden meegenomen, kan de reactor zo worden ontworpen dat de reactie veilig en met hoge opbrengsten kan worden uitgevoerd. Mini-fabriekstudies zijn daarbij onmisbaar, omdat ook recyclingstromen en het bedrijf onder gedeeltelijke belasting en tijdens het aan- en afschakelen van de reactie moeten worden meegenomen. Met behulp van een goed model kan het proces direct in de productiefaciliteit worden geïntegreerd. In de praktijk wordt vaak een pilotinstallatie tussen geschakeld om de risico’s bij opschaling te beperken.

Grote processen in kleine structuren?

Maar niet altijd is het doel een zo groot mogelijke reactor. Dit wordt duidelijk uit een andere belangrijke onderzoekstrend: de Flow Chemistry. Deze opent nieuwe wegen voor katalytische reactors en productietechnieken. Nanodeeltjes en andere functionele materialen kunnen in microfluïdische reactors met precies gedefinieerde eigenschappen worden vervaardigd. Zulke reactors bieden bovendien een betere warmte- en stoftransport. Microgestructureerde reactors kenmerken zich door interne structuren van tien tot enkele duizenden micrometers. In dergelijke structuren kunnen vloeistoffen binnen milliseconden worden verhit of gekoeld.

Momenteel worden ook microgestructureerde productiefaciliteiten ontwikkeld, bijvoorbeeld om met hernieuwbare energie synthetische koolwaterstoffen of hoogwaardige Power-to-X-chemicaliën te produceren. Dankzij hun uitstekende warmteoverdracht maken ze hoge ruimtelijke en temporele opbrengsten mogelijk, met hoge selectiviteit, precies gedefinieerde producteigenschappen en een lange levensduur van de katalysator. Als ze modulair zijn opgebouwd en snel kunnen worden op- en afgeschakeld, zijn ze bijzonder interessant voor decentrale inzet op de locatie van energieproductie. Verschillende bedrijven, waaronder Ineratec, denken daarom al verder: ze willen microgestructureerde reactors niet alleen in de ontwikkeling gebruiken, maar ook uitbouwen tot commerciële productiefaciliteiten.

De ontwikkelingen op het gebied van microgestructureerde reactors in de afgelopen jaren hebben aangetoond dat de intensivering van warmte-uitwisseling in productieprocessen vooral gericht was op één-fasensystemen, maar ook door deze werd gedreven. In principe kunnen microgestructureerde reactors ook worden gebruikt voor meerfasensystemen. Effecten zoals oppervlaktespanning, bevochtiging of ongelijke stromingsgedrag in parallelle kanalen bemoeilijken de industriële toepassing van microreactors.

Voor grootschalige productie is een geïntegreerd opschalingsconcept nodig om de benodigde doorstroming te garanderen, terwijl de diameter van de kanalen slechts minimaal wordt vergroot. Zo blijven de voordelen van microreactortechnologie behouden, zoals de hoge mengsnelheid, de uitstekende warmteoverdracht en de gerichte procescontrole. De beoogde doorvoer kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd door de kanalen parallel te koppelen aan een kanaalbundel in de reactor.

Shaoxing Eastlake Hi-Tech Co. Ltd. heeft in 2016 in China de eerste grootschalige productiereactor op basis van microreactortechnologie in gebruik genomen voor de productie van een ingrediënt voor landbouwtoepassingen. Inmiddels draaien drie van deze reactors continu met een totale productiecapaciteit van 30.000 ton per jaar.

Tussen roerketel en hybride processen

De ontwikkeling van nieuwe processen en de ontwikkeling van apparatuur voor het bouwen van chemische reactors gaan hand in hand. Vandaag de dag is het scala aan apparaten en reactorontwerpen zo breed als het portfolio van chemische installaties. Vanwege de flexibiliteit is de roerketel nog steeds het meest gebruikte reactortype. Maar het spectrum aan technologieën varieert van het klassieke vastebedreactor met zoutsmelt of verdampingskoeling tot warmtewisselaars, bellenkolommen, jetreactors, spuit- en vastebedreactors tot hoge-temperatuurreactoren en complexere apparaten zoals microgestructureerde, elektrochemische en kneedreactoren, evenals hybride systemen zoals reactieve destillatie, extractie of gaswassers.

Hoewel de roerketel een van de oudste chemische reactordesigns is, wordt deze nog steeds voortdurend verbeterd. Zo zijn voor het 'binnenleven' van geëmailleerde roerketels nieuwe oplossingen ontwikkeld, zoals flexibele stroomonderbrekers en andere modificaties, die de flexibiliteit en energie-efficiëntie van gas-vloeistofsysteem aanzienlijk hebben verbeterd, ondanks de beperkingen van geëmailleerde systemen.

Om de warmte-uitwisseling te vergroten, kunnen warmtewisselaarplaten in de roerketel worden ingebracht die grotere uitwissingsoppervlakken bieden dan interne warmtewisselaars. Zo kunnen exotherme reacties, zoals suspensiehydrogenatie, beter worden gecontroleerd. Zoutbadreactoren zijn conventionele vastebedreactoren voor exotherme, heterogeen gekatalyseerde gasfasereacties bij hoge temperaturen. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt bij partiële oxidaties, zoals in de synthese van acrylzuur.

Wanneer de eisen aan warmte-uitwisseling of temperatuurregeling hoger zijn, kunnen zogenaamde warmtewisselaarreactoren worden ingezet. Op basis van plaat- of buiswarmtewisselaars maken ze zeer hoge warmteoverdrachtsnelheden mogelijk voor één-fasensystemen.

Uitdagingen uit de praktijk

De nieuwe industriële processen, de omslag in energie- en grondstofbasis en de drang naar economische efficiëntie zullen de reactie- en processtechniek ook in de komende jaren voor uitdagingen stellen. Vooral gezien de trends richting biobased en gerecyclede grondstoffen, waarvan de samenstelling en fysische eigenschappen aanzienlijk variëren ten opzichte van conventionele petrochemische grondstoffen, en die doorgaans veel meer onzuiverheden bevatten, moeten de reactors enerzijds zo veel mogelijk worden geoptimaliseerd, maar anderzijds ook robuust genoeg zijn om met wisselende eisen om te gaan.

Sommige biotechnologische processen vereisen grote reactorvolumes van meer dan 1.000 m³ en tegelijkertijd hoge specifieke massatransferrates. Voor een conventioneel ventilatiesysteem zijn dan snel motorvermogens van meer dan 10 MW nodig, wat mechanisch moeilijk te realiseren is. De ontwikkeling van hybride beluchtingstechnologieën en nieuwe manieren voor warmteafvoer kunnen helpen om dergelijke processen sneller in de industrie te brengen.

Voor de productie van nieuwe gen- en celtherapieën, die sterk gepersonaliseerd zijn, moeten alle reactie-stappen bij voorkeur op kleine schaal en dicht bij de Point-of-Care plaatsvinden – een farmaceutische fabriek in een compacte, mobiele 'kist' zou hier een mogelijk doel zijn.

Hoe divers de toepassingen ook zijn, hoe innovatief de oplossingen die reactie-ingenieurs ontwikkelen en de apparatuur- en installatiebouwers leveren, voor de komende jaren is nog veel te verwachten gezien het aantal nieuwe ontwikkelingen.

Deze ACHEMA-trendrapport is gebaseerd op de Roadmap Chemical Reaction Engineering, 3e editie 2023, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html