Alles moet kleiner

,,’Dit is de allergrootste installatie van de fabriek’, vertelde de gids trots toen ik als klein jongetje met mijn klas op excursie ging bij een chemisch bedrijf. Tegenwoordig zou een gids daar niet meer trots op mogen zijn.” Dr.ir. A.I. Stankiewicz, deeltijddocent aan de TU en onderzoeker bij DSM, hoopt dat toekomstige schoolklassen zich aan de kleinste procesapparatuur zullen vergapen. Tijdens het congres van de scheikundige studievereniging Technologisch Gezelschap projecteert hij een cartoon met een ingenieur die thuiskomt en trots tegen zijn vrouw zegt: ,,Honey, I shrunk the plant!”

PI is momenteel hét toverwoord van de moderne chemisch technoloog. En ditmaal staat PI niet voor de bekende verhouding van de omtrek en diameter van een cirkel. In de chemie betekent het ProcesIntensivering. ,,PI is het verkleinen en energiezuiniger maken van industriële processen. Dit kan door losse processtappen te combineren in nieuwe, kleinere apparaten”, zegt de Twentse hoogleraar dr.ir. H. van den Berg.

Een mooie toepassing van dit idee is de HEX-reactor. In veel processen worden vloeistofstromen verwarmd of juist afgekoeld in een warmtewisselaar voordat ze een reactor ingaan. De HEX-reactor vangt twee vliegen in één klap. Het is een warmtewisselaar en reactor tegelijk. Aan de binnenkant van de warmtewisselaar is namelijk een laagje katalysator aangebracht, waardoor de reactie al in het apparaat zelf verloopt.

Breekijzer

Compacte fabriekjes moeten met een lager energieverbruik en minder afvalproductie niet alleen het milieu sparen, ook economen komen aan hun trekken. Zowel de investeringskosten als de energierekeningen gaan namelijk drastisch omlaag. En de industrie wordt veiliger op de koop toe. Kleinere apparaatjes zijn immers beter beheersbaar dan de grote stampende en stomende kolossen. Ondanks al deze beloftes laat de grootschalige industriële toepassing van procesintensivering nog op zich wachten.

Van den Bergs Nederlandse PI-werkgroep probeert deze situatie te veranderen, met een aantal succesvolle toepassingen als breekijzer. ,,De HEX-reactor kan de Nederlandse chemische industrie meer dan veertig procent energie besparen”, zegt de Twentse hoogleraar. Hij merkt dat veel bedrijven succesverhalen op het gebied van procesintensivering het liefst geheim houden. Dit bemoeilijkt de ‘verkoop’ van de nieuwe denkwijze.

De conservatieve aard van de procesindustrie is een ander probleem. Prof. C. Ramshaw, hoogleraar in Newcastle en een van de grondleggers van PI, merkt al decennia lang dat het moeilijk is om bestaande processen te vervangen. ,,Geen fabrieksmanager probeert als eerste een riskant, nieuw concept uit. Een nieuwe technologie moet zich eerst volledig bewezen hebben.”

In een compacte fabriek moet ook de apparatuur radicaal veranderen. ,,Niemand is bereid om een bestaande fabriek te slopen om een nieuw proces te installeren. PI maakt dus alleen een kansbij nieuwe investeringen.”

Bureaublad

Ramshaw vertelt over zijn ontmoeting, eerder op de dag, met een werknemer van een chemisch bedrijf. ,,De jongeman zei me dat zijn bedrijf alleen procesinnovaties overwoog die zich in een jaar terugverdienden. Als iedereen die houding had, woonden we nu nog in grotten”, sneert hij.

Ook Stankiewicz veroordeelde de behoudzucht van de procesindustrie. ,,De roertechnologie heeft zelfs vier eeuwen stilgestaan”, zegt hij, terwijl hij het congrespubliek een zestiende-eeuwse houtsnede van de goudwinning laat zien. De in dat proces gebruikte geroerde vaten en roerders lijken verdacht veel op de favoriete apparaten van de huidige procesindustrie.

Industriële processen zijn nu vaak niet meer dan een uitvergrote versie van de laboratoriumopstelling. Daardoor wordt slechts een klein deel van het reactorvolume nuttig gebruikt. Terwijl de inhoud van een klein reactortje in het laboratorium razendsnel gemengd is, is de menging van dezelfde reactor in het groot namelijk vaak trager dan de reactiesnelheid van de stoffen.

Dat kan anders, laat de Britse PI-goeroe Ramshaw zien, met processen op de schaal van een bureaublad. Dit voorkomt de problemen die ontstaan bij het opschalen van processen. Ramshaw: ,,Mijn bureaubladvoorstel vraagt om snelle, continue processen. Een apparaatje dat tien milliliter per seconde verwerkt, produceert ook honderden tonnen per jaar.”

Hij illustreert de potentie van zijn filosofie met een apparaat dat zijn eigen onderzoeksgroep ontwikkelde, de spinning disk reactor (SDR). De kern van de SDR is een zeer snel ronddraaiende schijf waar de vloeibare reactiecomponenten op worden gespoten. De rotatie veroorzaakt golfjes in de vloeistof die zorgen voor een snelle menging en een snel warmtetransport. Ramshaw weet met zijn SDR in luttele seconden een polymerisatie uit te voeren die in de conventionele industrie uren vergt.

Liefdevol

Een schoolvoorbeeld van die conventionele chemische industrie is het Limburgse bedrijf DSM. Immers, op weg naar de Franse zon rijd je bij Geleen een kwartier lang langs ketels, distillatiekolommen en reusachtige knotten pijpleiding. Toch -of misschien juist daarom – is DSM één van de bedrijven die PI liefdevol heeft omhelsd en werk maakt van de toepassing ervan.

Stankiewicz vertelt hoe een groep ingenieurs bij DSM gevraagd werd om twaalf processen door een PI-bril te bekijken. ,,We informeerden de procestechnologen over het huidige proces en gaven hen een PI-handboek. Ze kwamen na een brainstorm en selectie van ideeën met een aantal veelbelovende procesalternatieven. Een aantal daarvan wordt in de toekomst verwezenlijkt.”

Als voorbeeld noemt Stankiewicz een in-line monolietreactor. Monoliet betekent letterlijk ‘uit één stuk steen gehouwen’. Een monoliet bestaat uit een enkel blok met talloze zeer dunne kanaaltjes erin. De wanden van de kanaaltjes vormen een groot oppervlak waarop een laagje katalysator is aangebracht. Veel oppervlak betekent een snelle reactie. Breng zo’n monoliet in een horizontaal stuk pijpleiding aan en de pijp wordt een reactor.

De katalysator is eenvoudig te vervangen door simpelweg een stuk pijp te verwisselen. Dat gaat sneller dan het legen en opnieuw vullen van een reactor. Door de hele pijp ondergronds aan te leggen is het proces bovendien zeer veilig. De DSM’er: ,,Er loopt 850 kilometer pijpleiding door ons bedrijf in Geleen. Stel je voor wat een volume aan ongebruikte reactor dat is!”

Ontwaakt

Warmtewisselaars bekleed met katalysatoren, opgevoerde platenspelers als reactor, reactieve pijpleidingen onder de grond. Procesintensivering lijkt wel een excuus voor ongebreideld fantaseren. En de ideeën zijn nog lang niet op. De Delftse deeltijdhoogleraar dr. J.S. Dhillon voorziet buisloze fabrieken, waarin reactorvaten zich zelfstandig verplaatsen tussen de verschillende bewerkingen.

Met een beetje fantasie zijn talloze multifunctionele reactoren te verzinnen. Denk aan apparaten waarin reacties en scheidingen worden gecombineerd. Een voorbeeld is reactieve distillatie, waarbij de reactie plaatsvindt in de distillatiekolom. De distillatie scheidt continu de eindproducten van de reactie van de uitgangsstoffen. Op basis van dit idee verving de Eastman Chemical Company met een enkele kolom een proces dat voorheen uit zeven losse processtappen bestond.

De Engelse hoogleraar Ramshaw benadrukt dat de concrete toepassingen van PI lang niet allemaal nieuw zijn. ,,PI komt er op neer dat de chemisch ingenieurs leren om creatief om te gaan met oude concepten.”

Stankiewicz ziet dit creatieve denken als een doorbraak in de procestechnologie. Hij verwacht dat dit de studie scheikundige technologie aantrekkelijker zal maken voor toekomstige studenten. En zo blijkt PI zelfs een oplossing voor dalende studentenaantallen. Het is één van de beloftes die PI nog moet waarmaken.

Duidelijk is wel dat de oude procestechnologie is ontwaakt. Er waait een frisse wind die schonere, kleinere, gedistribueerde fabriekjes zal aanvoeren. Rijd nog maar eens snel langs Geleen als je van industriële landschappen houdt. Binnen enkele jaren produceer je zelf je chemicaliën, zoals verf en medicijnen, in de bijkeuken.

De favoriete apparaten van de huidige procesindustrie lijken nog verdacht veel op de zestiende-eeuwse goudwinning

De spinning disk reactor kan in luttele seconden een polymerisatie uitvoeren die in de conventionele industrie uren vergt

,,’Dit is de allergrootste installatie van de fabriek’, vertelde de gids trots toen ik als klein jongetje met mijn klas op excursie ging bij een chemisch bedrijf. Tegenwoordig zou een gids daar niet meer trots op mogen zijn.” Dr.ir. A.I. Stankiewicz, deeltijddocent aan de TU en onderzoeker bij DSM, hoopt dat toekomstige schoolklassen zich aan de kleinste procesapparatuur zullen vergapen. Tijdens het congres van de scheikundige studievereniging Technologisch Gezelschap projecteert hij een cartoon met een ingenieur die thuiskomt en trots tegen zijn vrouw zegt: ,,Honey, I shrunk the plant!”

PI is momenteel hét toverwoord van de moderne chemisch technoloog. En ditmaal staat PI niet voor de bekende verhouding van de omtrek en diameter van een cirkel. In de chemie betekent het ProcesIntensivering. ,,PI is het verkleinen en energiezuiniger maken van industriële processen. Dit kan door losse processtappen te combineren in nieuwe, kleinere apparaten”, zegt de Twentse hoogleraar dr.ir. H. van den Berg.

Een mooie toepassing van dit idee is de HEX-reactor. In veel processen worden vloeistofstromen verwarmd of juist afgekoeld in een warmtewisselaar voordat ze een reactor ingaan. De HEX-reactor vangt twee vliegen in één klap. Het is een warmtewisselaar en reactor tegelijk. Aan de binnenkant van de warmtewisselaar is namelijk een laagje katalysator aangebracht, waardoor de reactie al in het apparaat zelf verloopt.

Breekijzer

Compacte fabriekjes moeten met een lager energieverbruik en minder afvalproductie niet alleen het milieu sparen, ook economen komen aan hun trekken. Zowel de investeringskosten als de energierekeningen gaan namelijk drastisch omlaag. En de industrie wordt veiliger op de koop toe. Kleinere apparaatjes zijn immers beter beheersbaar dan de grote stampende en stomende kolossen. Ondanks al deze beloftes laat de grootschalige industriële toepassing van procesintensivering nog op zich wachten.

Van den Bergs Nederlandse PI-werkgroep probeert deze situatie te veranderen, met een aantal succesvolle toepassingen als breekijzer. ,,De HEX-reactor kan de Nederlandse chemische industrie meer dan veertig procent energie besparen”, zegt de Twentse hoogleraar. Hij merkt dat veel bedrijven succesverhalen op het gebied van procesintensivering het liefst geheim houden. Dit bemoeilijkt de ‘verkoop’ van de nieuwe denkwijze.

De conservatieve aard van de procesindustrie is een ander probleem. Prof. C. Ramshaw, hoogleraar in Newcastle en een van de grondleggers van PI, merkt al decennia lang dat het moeilijk is om bestaande processen te vervangen. ,,Geen fabrieksmanager probeert als eerste een riskant, nieuw concept uit. Een nieuwe technologie moet zich eerst volledig bewezen hebben.”

In een compacte fabriek moet ook de apparatuur radicaal veranderen. ,,Niemand is bereid om een bestaande fabriek te slopen om een nieuw proces te installeren. PI maakt dus alleen een kansbij nieuwe investeringen.”

Bureaublad

Ramshaw vertelt over zijn ontmoeting, eerder op de dag, met een werknemer van een chemisch bedrijf. ,,De jongeman zei me dat zijn bedrijf alleen procesinnovaties overwoog die zich in een jaar terugverdienden. Als iedereen die houding had, woonden we nu nog in grotten”, sneert hij.

Ook Stankiewicz veroordeelde de behoudzucht van de procesindustrie. ,,De roertechnologie heeft zelfs vier eeuwen stilgestaan”, zegt hij, terwijl hij het congrespubliek een zestiende-eeuwse houtsnede van de goudwinning laat zien. De in dat proces gebruikte geroerde vaten en roerders lijken verdacht veel op de favoriete apparaten van de huidige procesindustrie.

Industriële processen zijn nu vaak niet meer dan een uitvergrote versie van de laboratoriumopstelling. Daardoor wordt slechts een klein deel van het reactorvolume nuttig gebruikt. Terwijl de inhoud van een klein reactortje in het laboratorium razendsnel gemengd is, is de menging van dezelfde reactor in het groot namelijk vaak trager dan de reactiesnelheid van de stoffen.

Dat kan anders, laat de Britse PI-goeroe Ramshaw zien, met processen op de schaal van een bureaublad. Dit voorkomt de problemen die ontstaan bij het opschalen van processen. Ramshaw: ,,Mijn bureaubladvoorstel vraagt om snelle, continue processen. Een apparaatje dat tien milliliter per seconde verwerkt, produceert ook honderden tonnen per jaar.”

Hij illustreert de potentie van zijn filosofie met een apparaat dat zijn eigen onderzoeksgroep ontwikkelde, de spinning disk reactor (SDR). De kern van de SDR is een zeer snel ronddraaiende schijf waar de vloeibare reactiecomponenten op worden gespoten. De rotatie veroorzaakt golfjes in de vloeistof die zorgen voor een snelle menging en een snel warmtetransport. Ramshaw weet met zijn SDR in luttele seconden een polymerisatie uit te voeren die in de conventionele industrie uren vergt.

Liefdevol

Een schoolvoorbeeld van die conventionele chemische industrie is het Limburgse bedrijf DSM. Immers, op weg naar de Franse zon rijd je bij Geleen een kwartier lang langs ketels, distillatiekolommen en reusachtige knotten pijpleiding. Toch -of misschien juist daarom – is DSM één van de bedrijven die PI liefdevol heeft omhelsd en werk maakt van de toepassing ervan.

Stankiewicz vertelt hoe een groep ingenieurs bij DSM gevraagd werd om twaalf processen door een PI-bril te bekijken. ,,We informeerden de procestechnologen over het huidige proces en gaven hen een PI-handboek. Ze kwamen na een brainstorm en selectie van ideeën met een aantal veelbelovende procesalternatieven. Een aantal daarvan wordt in de toekomst verwezenlijkt.”

Als voorbeeld noemt Stankiewicz een in-line monolietreactor. Monoliet betekent letterlijk ‘uit één stuk steen gehouwen’. Een monoliet bestaat uit een enkel blok met talloze zeer dunne kanaaltjes erin. De wanden van de kanaaltjes vormen een groot oppervlak waarop een laagje katalysator is aangebracht. Veel oppervlak betekent een snelle reactie. Breng zo’n monoliet in een horizontaal stuk pijpleiding aan en de pijp wordt een reactor.

De katalysator is eenvoudig te vervangen door simpelweg een stuk pijp te verwisselen. Dat gaat sneller dan het legen en opnieuw vullen van een reactor. Door de hele pijp ondergronds aan te leggen is het proces bovendien zeer veilig. De DSM’er: ,,Er loopt 850 kilometer pijpleiding door ons bedrijf in Geleen. Stel je voor wat een volume aan ongebruikte reactor dat is!”

Ontwaakt

Warmtewisselaars bekleed met katalysatoren, opgevoerde platenspelers als reactor, reactieve pijpleidingen onder de grond. Procesintensivering lijkt wel een excuus voor ongebreideld fantaseren. En de ideeën zijn nog lang niet op. De Delftse deeltijdhoogleraar dr. J.S. Dhillon voorziet buisloze fabrieken, waarin reactorvaten zich zelfstandig verplaatsen tussen de verschillende bewerkingen.

Met een beetje fantasie zijn talloze multifunctionele reactoren te verzinnen. Denk aan apparaten waarin reacties en scheidingen worden gecombineerd. Een voorbeeld is reactieve distillatie, waarbij de reactie plaatsvindt in de distillatiekolom. De distillatie scheidt continu de eindproducten van de reactie van de uitgangsstoffen. Op basis van dit idee verving de Eastman Chemical Company met een enkele kolom een proces dat voorheen uit zeven losse processtappen bestond.

De Engelse hoogleraar Ramshaw benadrukt dat de concrete toepassingen van PI lang niet allemaal nieuw zijn. ,,PI komt er op neer dat de chemisch ingenieurs leren om creatief om te gaan met oude concepten.”

Stankiewicz ziet dit creatieve denken als een doorbraak in de procestechnologie. Hij verwacht dat dit de studie scheikundige technologie aantrekkelijker zal maken voor toekomstige studenten. En zo blijkt PI zelfs een oplossing voor dalende studentenaantallen. Het is één van de beloftes die PI nog moet waarmaken.

Duidelijk is wel dat de oude procestechnologie is ontwaakt. Er waait een frisse wind die schonere, kleinere, gedistribueerde fabriekjes zal aanvoeren. Rijd nog maar eens snel langs Geleen als je van industriële landschappen houdt. Binnen enkele jaren produceer je zelf je chemicaliën, zoals verf en medicijnen, in de bijkeuken.

De favoriete apparaten van de huidige procesindustrie lijken nog verdacht veel op de zestiende-eeuwse goudwinning

De spinning disk reactor kan in luttele seconden een polymerisatie uitvoeren die in de conventionele industrie uren vergt