Storm in een buis water

br />
Wie wel eens een goedkope oplossoep heeft bereid, weet hoe belangrijk goed mengen is. Strooi het soeppoeder snel in het water zonder goed te roeren en er ontstaan dikke klonten. Boze gezichten aan de eettafel. Ook in de procesindustrie leidt slecht roeren tot norse gezichten aan tafel, maar dan aan de vergadertafel van de directie. Slecht roeren leidt tot slechte producten.

Menging – het met elkaar in contact brengen van gescheiden vaste stoffen, vloeistoffen of gassen – lijkt een simpel proces: een kwestie van goed roeren. Maar dat valt tegen. De basisprincipes van menging zijn al vele decennia bekend. Er bestaat echter geen model dat een goede voorspelling geeft van de menging in een industriële reactor en het effect daarvan op de opbrengst van de chemische reactie. ,,Dat is voor ons de heilige graal%%, zegt Jos Derksen, universitair docent aan het Kramers Laboratorium voor Fysische Technologie. Samen met professor Harrie van den Akker leidt Derksen een groep die onderzoek doet aan éénfasestroming, waarvan menging een belangrijk voorbeeld is.

Promovendus Eelco van Vliet neemt deel aan Derksens zoektocht naar de graal. De zesentwintigjarige ingenieur technische natuurkunde legt uit welk effect menging kan hebben op chemische reacties: ,,Stel dat een component van de voedingsstroom van de reactor met verschillende snelheden reageert met twee stoffen die al in de reactor aanwezig zijn. De effectiviteit van menging bepaalt dan de verhouding van de reactieproducten.%% Bij trage menging begint de reactie al tijdens het mengproces. De toegevoerde substantie is dan pas in contact gebracht met kleine hoeveelheden van beide stoffen in de reactor. Nadat de snel reagerende stof is opgebruikt, zal de voedingscomponent noodgedwongen voor de trage reactie kiezen. Hoe sneller de menging, hoe meer voedingscomponent met de snel reagerende stof reageert.

Een onderzoeksgroep in Zürich voerde metingen uit aan dergelijke reacties. De Zwitsers gebruikten voor hun experimenten een buisreactor. Dit type reactor, dat bijvoorbeeld wordt toegepast bij de productie van plastic, bestaat uit een grote buis in het midden waarvan een L-vormig pijpje uitkomt. Via het pijpje wordt een voedingsstroom geïnjecteerd in de vloeistof die door de grote buis stroomt.

Pannenkoek

Van Vliet heeft als promotiedoel om de menging in de buisreactor op microschaal te doorgronden om de Zwitserse meetresultaten te kunnen verklaren. De onderzoeker hoefde niet van de grond af te beginnen: ,,Ik bouw voort op het werk van een voorganger die hier vier jaar geleden promoveerde op een mechanistische beschrijving van menging op de microscopische schaal: de cylindrical stretching vortex.%%

De vortex, een werveling, staat sinds de jaren veertig centraal in de menging van turbulente vloeistoffen. De onderzoeker Kolmogorov opperde toen dat turbulente stroming bestaat uit grote wervels die opbreken in alsmaar kleinere. Wervels bestaan uit vloeistoflagen die langs elkaarschuiven en daarmee warmte produceren. Veel kleine wervels doen dit beter dan enkele grote en het opbreken van wervels gaat net zo lang door tot er genoeg kleine wervels zijn om alle energie die in de reactor wordt gestopt, bijvoorbeeld door te roeren, in warmte wordt omgezet.

Van Vliets voorganger beschreef wervels niet als platte draaiingen van de vloeistof, maar als opgerolde pannenkoeken. De vloeistofpannenkoekjes bestaan maar kort, want als hun energie op is, verdwijnen ze in het niets. Tijdens hun leven worden ze langer (%stretching%) en daardoor ook dunner. Tijdens de afgelopen twee jaar ontwikkelde Van Vliet een experimentele opstelling om de uitrekkende pannenkoekjes waar te nemen. Hij injecteert een fluorescerende stof in een doorzichtige buisreactor met daarin turbulent stromend water. In een tweeënhalf centimeter breed reepje van de reactor beschijnt hij het vloeistofmengsel met een afgeplatte bundel laserlicht. Waar de fluorescerende vloeistof het laserlicht ontmoet, begint deze naar alle kanten licht uit te zenden. Dit wordt vastgelegd door een snelle digitale camera boven de reactor.

Actiefilm

De opstelling leverde kiekjes op van dwarsdoorsnedes van de wervelingen. Mooie plaatjes, maar Van Vliet was er niet tevreden mee. ,,Je ziet de wervels op opeenvolgende foto%s wel smaller worden, maar weet niet of dat inderdaad door het uitrekken van de wervel in de lengterichting komt, of doordat de wervel door het belichte vlak roteert.%% Rotatie van de vloeistofpannenkoekjes door het vlak met laserlicht geeft hetzelfde effect als het onder verschillende hoeken doorzagen van een boomstam. De afstanden tussen de jaarringen lijken verschillend te zijn, terwijl dit in werkelijkheid niet zo is.

Van Vliet wilde driedimensionale beelden. Die zouden alle twijfel wegnemen. Hij plaatste een kantelend spiegeltje in de laserbundel, waardoor het lichtvlak een volume in de reactor scant. Van Vliet: ,,Om een driedimensionaal plaatje te krijgen, moet je zeer snel tien tot vijftig lagen in de vloeistof fotograferen. Toen mijn voorganger zijn onderzoek deed waren de camera%s daar nog niet snel genoeg voor.%% De ontwikkeling van snellere camera%s stelde hemzelf wel in staat om in een twintigste van een seconde maar liefst vijftig doorsnedes vast te leggen. De resolutie van de beelden is honderd micrometer, ruim voldoende om zelfs de kleinste werveltjes waar te nemen. Die zijn nog geen millimeter groot bij de door Van Vliet ingestelde turbulentie.

Na een volledige scan kantelt het spiegeltje de lichtbundel terug en wordt een volgend tijdsbeeld opgenomen. Zo ontstaat een filmpje van de turbulente vloeistof die niet onderdoet voor de nieuwste actiefilm %The Perfect Storm%. Alleen duurt Van Vliets film wat korter, want slechts vijftien seconden vergen een gigabyte aan computergeheugen.

Schakel

,,Het is moeilijk om een eenduidige structuur aan de wervels toe te kennen op basis van de beelden die ik heb gemaakt%%, meldt de jonge natuurkundige. ,,Een belangrijke conclusie die ik daaruit heb getrokken is dat ik niet met de mechanische beschrijving van wervels verder ga.%% Exit de uitrekkende pannenkoek. In plaats van de mechanische beschrijving kiest Van Vliet voor een statistische aanpak. ,,Ik bereken uit mijn digitale beelden hoeveel energie er op iedere plek in warmte omgezet wordt. Dit vormt een goede maat voor de menging.%%

Een wat filosofischere conclusie die Van Vliet uit zijn experimenten heeft getrokken is datexperimenteel werk vooral bestaat uit het maken van afwegingen. ,,Een betere beeldresolutie in de ruimte gaat ten koste van resolutie in de tijd. Een kortere sluitertijd van de camera leidt tot minder invallend licht en dus tot relatief meer ruis. Zo kan ik nog wel tientallen afwegingen noemen.%% Een manier om onder de beperkingen uit te komen, is de aanschaf van duurdere apparatuur. Zo kocht de onderzoeksgroep onlangs een vijfmaal sterkere laser. ,,Dat is ook een afweging, maar dan een financiële%%, lacht Van Vliet, ,,Als je meer geld wilt besteden, dan krijg je betere resultaten.%%

Naast experimenteel onderzoek zoals dat van Van Vliet, werkt de groep van Derksen hard aan stromingssimulaties. Voor die simulaties wordt gebruik gemaakt van computational fluid dynamics (CFD), een numerieke methode waarbij een reactor in talloze kleine vakjes opgedeeld wordt gedacht. Een computer berekent de stroming in elk van de vakjes voor opeenvolgende tijdstapjes.

Derksen verklaart hoe het werk van Van Vliet aansluit bij deze CFD-simulaties: ,,We hebben op ons laboratorium een cluster van zes gekoppelde dubbele Pentium-III computers. Daarmee kost het ons een week om een voldoende lange tijd de stroming te simuleren voor dertig miljoen vakjes in een reactor. De kleinste wervels in industriële reactoren zijn zo klein dat we nog veel kleinere volumes zouden moeten simuleren. Die schaal kunnen we de komende tien jaar qua computerkracht nog niet aan.%% Van Vliet levert met zijn werk inzicht in menging op de microschaal, de missende schakel tussen CFD-simulaties en de werkelijkheid.

seconde vijftig doorsnedes vast

Turbulente tijden op het Kramers Laboratorium. Laserlicht en snelle camera%s brengen eindelijk de microscopisch kleine werveltjes in vloeistof in beeld.

Wie wel eens een goedkope oplossoep heeft bereid, weet hoe belangrijk goed mengen is. Strooi het soeppoeder snel in het water zonder goed te roeren en er ontstaan dikke klonten. Boze gezichten aan de eettafel. Ook in de procesindustrie leidt slecht roeren tot norse gezichten aan tafel, maar dan aan de vergadertafel van de directie. Slecht roeren leidt tot slechte producten.

Menging – het met elkaar in contact brengen van gescheiden vaste stoffen, vloeistoffen of gassen – lijkt een simpel proces: een kwestie van goed roeren. Maar dat valt tegen. De basisprincipes van menging zijn al vele decennia bekend. Er bestaat echter geen model dat een goede voorspelling geeft van de menging in een industriële reactor en het effect daarvan op de opbrengst van de chemische reactie. ,,Dat is voor ons de heilige graal%%, zegt Jos Derksen, universitair docent aan het Kramers Laboratorium voor Fysische Technologie. Samen met professor Harrie van den Akker leidt Derksen een groep die onderzoek doet aan éénfasestroming, waarvan menging een belangrijk voorbeeld is.

Promovendus Eelco van Vliet neemt deel aan Derksens zoektocht naar de graal. De zesentwintigjarige ingenieur technische natuurkunde legt uit welk effect menging kan hebben op chemische reacties: ,,Stel dat een component van de voedingsstroom van de reactor met verschillende snelheden reageert met twee stoffen die al in de reactor aanwezig zijn. De effectiviteit van menging bepaalt dan de verhouding van de reactieproducten.%% Bij trage menging begint de reactie al tijdens het mengproces. De toegevoerde substantie is dan pas in contact gebracht met kleine hoeveelheden van beide stoffen in de reactor. Nadat de snel reagerende stof is opgebruikt, zal de voedingscomponent noodgedwongen voor de trage reactie kiezen. Hoe sneller de menging, hoe meer voedingscomponent met de snel reagerende stof reageert.

Een onderzoeksgroep in Zürich voerde metingen uit aan dergelijke reacties. De Zwitsers gebruikten voor hun experimenten een buisreactor. Dit type reactor, dat bijvoorbeeld wordt toegepast bij de productie van plastic, bestaat uit een grote buis in het midden waarvan een L-vormig pijpje uitkomt. Via het pijpje wordt een voedingsstroom geïnjecteerd in de vloeistof die door de grote buis stroomt.

Pannenkoek

Van Vliet heeft als promotiedoel om de menging in de buisreactor op microschaal te doorgronden om de Zwitserse meetresultaten te kunnen verklaren. De onderzoeker hoefde niet van de grond af te beginnen: ,,Ik bouw voort op het werk van een voorganger die hier vier jaar geleden promoveerde op een mechanistische beschrijving van menging op de microscopische schaal: de cylindrical stretching vortex.%%

De vortex, een werveling, staat sinds de jaren veertig centraal in de menging van turbulente vloeistoffen. De onderzoeker Kolmogorov opperde toen dat turbulente stroming bestaat uit grote wervels die opbreken in alsmaar kleinere. Wervels bestaan uit vloeistoflagen die langs elkaarschuiven en daarmee warmte produceren. Veel kleine wervels doen dit beter dan enkele grote en het opbreken van wervels gaat net zo lang door tot er genoeg kleine wervels zijn om alle energie die in de reactor wordt gestopt, bijvoorbeeld door te roeren, in warmte wordt omgezet.

Van Vliets voorganger beschreef wervels niet als platte draaiingen van de vloeistof, maar als opgerolde pannenkoeken. De vloeistofpannenkoekjes bestaan maar kort, want als hun energie op is, verdwijnen ze in het niets. Tijdens hun leven worden ze langer (%stretching%) en daardoor ook dunner. Tijdens de afgelopen twee jaar ontwikkelde Van Vliet een experimentele opstelling om de uitrekkende pannenkoekjes waar te nemen. Hij injecteert een fluorescerende stof in een doorzichtige buisreactor met daarin turbulent stromend water. In een tweeënhalf centimeter breed reepje van de reactor beschijnt hij het vloeistofmengsel met een afgeplatte bundel laserlicht. Waar de fluorescerende vloeistof het laserlicht ontmoet, begint deze naar alle kanten licht uit te zenden. Dit wordt vastgelegd door een snelle digitale camera boven de reactor.

Actiefilm

De opstelling leverde kiekjes op van dwarsdoorsnedes van de wervelingen. Mooie plaatjes, maar Van Vliet was er niet tevreden mee. ,,Je ziet de wervels op opeenvolgende foto%s wel smaller worden, maar weet niet of dat inderdaad door het uitrekken van de wervel in de lengterichting komt, of doordat de wervel door het belichte vlak roteert.%% Rotatie van de vloeistofpannenkoekjes door het vlak met laserlicht geeft hetzelfde effect als het onder verschillende hoeken doorzagen van een boomstam. De afstanden tussen de jaarringen lijken verschillend te zijn, terwijl dit in werkelijkheid niet zo is.

Van Vliet wilde driedimensionale beelden. Die zouden alle twijfel wegnemen. Hij plaatste een kantelend spiegeltje in de laserbundel, waardoor het lichtvlak een volume in de reactor scant. Van Vliet: ,,Om een driedimensionaal plaatje te krijgen, moet je zeer snel tien tot vijftig lagen in de vloeistof fotograferen. Toen mijn voorganger zijn onderzoek deed waren de camera%s daar nog niet snel genoeg voor.%% De ontwikkeling van snellere camera%s stelde hemzelf wel in staat om in een twintigste van een seconde maar liefst vijftig doorsnedes vast te leggen. De resolutie van de beelden is honderd micrometer, ruim voldoende om zelfs de kleinste werveltjes waar te nemen. Die zijn nog geen millimeter groot bij de door Van Vliet ingestelde turbulentie.

Na een volledige scan kantelt het spiegeltje de lichtbundel terug en wordt een volgend tijdsbeeld opgenomen. Zo ontstaat een filmpje van de turbulente vloeistof die niet onderdoet voor de nieuwste actiefilm %The Perfect Storm%. Alleen duurt Van Vliets film wat korter, want slechts vijftien seconden vergen een gigabyte aan computergeheugen.

Schakel

,,Het is moeilijk om een eenduidige structuur aan de wervels toe te kennen op basis van de beelden die ik heb gemaakt%%, meldt de jonge natuurkundige. ,,Een belangrijke conclusie die ik daaruit heb getrokken is dat ik niet met de mechanische beschrijving van wervels verder ga.%% Exit de uitrekkende pannenkoek. In plaats van de mechanische beschrijving kiest Van Vliet voor een statistische aanpak. ,,Ik bereken uit mijn digitale beelden hoeveel energie er op iedere plek in warmte omgezet wordt. Dit vormt een goede maat voor de menging.%%

Een wat filosofischere conclusie die Van Vliet uit zijn experimenten heeft getrokken is datexperimenteel werk vooral bestaat uit het maken van afwegingen. ,,Een betere beeldresolutie in de ruimte gaat ten koste van resolutie in de tijd. Een kortere sluitertijd van de camera leidt tot minder invallend licht en dus tot relatief meer ruis. Zo kan ik nog wel tientallen afwegingen noemen.%% Een manier om onder de beperkingen uit te komen, is de aanschaf van duurdere apparatuur. Zo kocht de onderzoeksgroep onlangs een vijfmaal sterkere laser. ,,Dat is ook een afweging, maar dan een financiële%%, lacht Van Vliet, ,,Als je meer geld wilt besteden, dan krijg je betere resultaten.%%

Naast experimenteel onderzoek zoals dat van Van Vliet, werkt de groep van Derksen hard aan stromingssimulaties. Voor die simulaties wordt gebruik gemaakt van computational fluid dynamics (CFD), een numerieke methode waarbij een reactor in talloze kleine vakjes opgedeeld wordt gedacht. Een computer berekent de stroming in elk van de vakjes voor opeenvolgende tijdstapjes.

Derksen verklaart hoe het werk van Van Vliet aansluit bij deze CFD-simulaties: ,,We hebben op ons laboratorium een cluster van zes gekoppelde dubbele Pentium-III computers. Daarmee kost het ons een week om een voldoende lange tijd de stroming te simuleren voor dertig miljoen vakjes in een reactor. De kleinste wervels in industriële reactoren zijn zo klein dat we nog veel kleinere volumes zouden moeten simuleren. Die schaal kunnen we de komende tien jaar qua computerkracht nog niet aan.%% Van Vliet levert met zijn werk inzicht in menging op de microschaal, de missende schakel tussen CFD-simulaties en de werkelijkheid.

seconde vijftig doorsnedes vast