Voor de voortzetting het project Universele Instrumentatie en Automatisering van Kristallisatoren (UNIAK) bij apparatenbouw is eind vorig jaar 4,5 miljoen gulden uitgetrokken.
Dat is hard nodig, want het runnen van de apparatuur kost handen vol geld. ,,Als je alleen al naar de energie kijkt die deze opstelling gebruikt, dat gaat met duizenden guldens per maand”, legt UNIAK-medewerker ir. Rob Eek uit.
De vorming van sneeuw is een alledaags voorbeeld van kristalgroei. Door daling van de temperatuur vormen zich uit de met water verzadigde lucht ijskristallen. Kristallisatie kan ook optreden in vloeistoffen. De meesten die op de middelbare school scheikunde in hun pakket hadden, zullen wel eens geprobeerd hebben om zoveel mogelijk suiker op te lossen in een kop thee. Na afkoeling vormen zich weer kristallen in de thee.
Bij de kristallisatie van verzadigde oplossingen blijven de verontreinigingen buiten de kristallen. Door achteraf de zuivere kristallen te zeven en af te spoelen, worden ze ontdaan van deze ongewenste stoffen. Kristallisatie is daarom ook zeer geschikt voor het verkrijgen van fine chemicals zoals geneesmiddelen. Door herkristallisatie kunnen zeer zuivere stoffen verkregen worden, iets wat belangrijk is in de medische sector.
Maar ook de bulkchemie maakt veel gebruik van het kristallisatieproces. Na destillatie is kristallisatie de belangrijkste industriële scheidingsmethode. Het wordt bijvoorbeeld op grote schaal gebruikt voor het zuiveren van ruwe produkten, zoals suiker en zout. Alleen al bij Akzo in Hengelo produceren ze twee miljoen ton zout per jaar. Ook grondstoffen voor de kunstmestindustrie zijn vaak verkregen met behulp van kristallisatieprocessen.
Voor de industrie is kristallisatie bovendien een aantrekkelijke scheidingsmethode omdat het een gunstig energetisch rendement heeft vergeleken met bijvoorbeeld destillatie. Dit alles maakt het lonend om ervoor te zorgen dat het proces optimaal verloopt en het is daarom niet verwonderlijk dat het UNIAK-project bij apparatenbouw veel industriële sponsors heeft.
Het project, waar de vakgroepen apparatenbouw en meet- en regeltechniek van Werktuigbouwkunde en de vakgroep deeltjestechnologie van Scheikundige Technologie samen aan werken, draait nu zo’n tien jaar. Het gaat binnenkort zijn derde fase in. Eind vorig jaar is voor deze fase anderhalf miljoen gulden aan STW-subsidie (van de Stichting voor Technische Wetenschappen) en anderhalf miljoen gulden aan industriële sponsoring geworven. Ook de TU doet een duit in het zakje met nog eens zo’n bedrag.
Baby boom
Rob Eek is één van de vier aio’s die in de tweede fasewerkzaam zijn geweest. In juni gaat hij als eerste van deze vier promoveren. Op een platvorm halverwege de tien meter hoge proefopstelling in de hal van apparatenbouw legt hij uit wat het UNIAK-project tot nu toe opgeleverd heeft.
,,We hebben een regelsysteem ontwikkeld waarmee je een gewenste gemiddelde grootte van de kristallen, in ons geval ammoniumsulfaatkristallen, kunt instellen en constant kunt blijven produceren. Het is zelfs mogelijk alleen kristalletjes vanaf een bepaalde gewenste grootte uit het proces te isoleren en de rest weer opnieuw in het proces te brengen.”
De grootte van kristallen hangt onder andere af van de tijd die ze in het reactievat verblijven. In dit vat wordt continu ammoniumsulfaat toegevoerd en een deel van de inhoud van het vat weer afgevoerd. Na aftappen worden de kristallen uit de slurry gefilterd of gecentrifugeerd. Naarmate kristallen langer in het reactievat zitten, groeien ze steeds verder totdat ze door te botsen met elkaar en met de roerder weer slijten en een maximale grootte bereikt hebben. Dat groeien gaat via een op het eerste gezicht merkwaardig proces.
Eek: ,,Het is met een populatie groeiende kristallen net als met een groeiende biologische populatie. Op een bepaald moment ontstaan er een boel kleine kristalletjes, zeg maar een baby-boom. Deze hebben relatief veel oppervlak en eten het merendeel van het voedsel (verzadigd ammoniumsulfaat, red.) waardoor ze almaar groter worden en er, door gebrek aan voedsel, nauwelijks meer nieuwe kristalletjes ontstaan. Hoe groter de kristallen worden, hoe minder ze eten. Daardoor krijgt de afvoer of sterfte van de kristallen de overhand en neemt de hoeveelheid voedsel weer toe. Op een gegeven moment is er weer zoveel voedsel over dat er een nieuwe baby-boom plaatsvindt. Zo ontstaat een oscillerende populatie van dan weer veel grote en dan weer veel kleine kristallen. Deze cyclus herhaalt zich grofweg om de zes uur.”
Tafelbladen
Deze oscillatie levert allerlei problemen op. Eek noemt verstopping van het filter of de centrifuge bij het ‘oogsten’ van teveel kleine kristalletjes waardoor de poriën dichtslibben. Of het opwaaien van stof bij opslag van te fijne kristallen. Bij te grote kristallen kunnen problemen optreden als de stof in industriële vervolgprocessen weer opgelost moet worden. Bij de produktie van tafelbladen bijvoorbeeld wordt een grondstof gebruikt die verkregen is via een kristallisatieproces. Als de te grote kristallen niet goed oplossen, ontstaan putjes en korreltjes op het tafelblad.
,,Wij hebben een procesregeling ontworpen waarmee die schommeling in kristalgrootte onderdrukt wordt door de hoeveelheid babykristalletjes constant te houden. Dat gebeurt door on-line te tellen hoeveel er zich in het reactievat bevinden en er meer of minder af te voeren. De tijdens het proces geaborteerde babykristalletjes worden opnieuw opgelost en weer als voeding ingevoerd.”
De opstelling die nu bij apparatenbouw staat heeft een volume van één kubieke meter. Industriële processen gebruiken kristallisatoren van driehonderd kubieke meter of meer. Over deze opschaling zegt Eek: ,,Voor zover wij weten wordt het regelsysteem nog niet industrieel toegepast. Computermodellenvoorspellen dat het ook op grote schaal bruikbaar moet zijn. Maar uit concurrentieoverwegingen vertellen onze sponsors niet wat zij met onze bevindingen doen. Aan de andere kant geeft dit multi-sponsor-project ons veel vrijheid om zelf te bepalen welke kant we opgaan met het onderzoek.”
In de volgende fase van het UNIAK project zullen de onderzoekers zich vooral toeleggen op andere ontwerpen van kristallisatoren die tot een verdere verbetering van het kristalprodukt leiden en tevens het energetisch rendement optimaliseren. (J.O.)
UNIAK-proefopstelling bij Apparatenbouw, met op het platform Rob Eek (Klik voor grotere foto)
Voor de voortzetting het project Universele Instrumentatie en Automatisering van Kristallisatoren (UNIAK) bij apparatenbouw is eind vorig jaar 4,5 miljoen gulden uitgetrokken. Dat is hard nodig, want het runnen van de apparatuur kost handen vol geld. ,,Als je alleen al naar de energie kijkt die deze opstelling gebruikt, dat gaat met duizenden guldens per maand”, legt UNIAK-medewerker ir. Rob Eek uit.
De vorming van sneeuw is een alledaags voorbeeld van kristalgroei. Door daling van de temperatuur vormen zich uit de met water verzadigde lucht ijskristallen. Kristallisatie kan ook optreden in vloeistoffen. De meesten die op de middelbare school scheikunde in hun pakket hadden, zullen wel eens geprobeerd hebben om zoveel mogelijk suiker op te lossen in een kop thee. Na afkoeling vormen zich weer kristallen in de thee.
Bij de kristallisatie van verzadigde oplossingen blijven de verontreinigingen buiten de kristallen. Door achteraf de zuivere kristallen te zeven en af te spoelen, worden ze ontdaan van deze ongewenste stoffen. Kristallisatie is daarom ook zeer geschikt voor het verkrijgen van fine chemicals zoals geneesmiddelen. Door herkristallisatie kunnen zeer zuivere stoffen verkregen worden, iets wat belangrijk is in de medische sector.
Maar ook de bulkchemie maakt veel gebruik van het kristallisatieproces. Na destillatie is kristallisatie de belangrijkste industriële scheidingsmethode. Het wordt bijvoorbeeld op grote schaal gebruikt voor het zuiveren van ruwe produkten, zoals suiker en zout. Alleen al bij Akzo in Hengelo produceren ze twee miljoen ton zout per jaar. Ook grondstoffen voor de kunstmestindustrie zijn vaak verkregen met behulp van kristallisatieprocessen.
Voor de industrie is kristallisatie bovendien een aantrekkelijke scheidingsmethode omdat het een gunstig energetisch rendement heeft vergeleken met bijvoorbeeld destillatie. Dit alles maakt het lonend om ervoor te zorgen dat het proces optimaal verloopt en het is daarom niet verwonderlijk dat het UNIAK-project bij apparatenbouw veel industriële sponsors heeft.
Het project, waar de vakgroepen apparatenbouw en meet- en regeltechniek van Werktuigbouwkunde en de vakgroep deeltjestechnologie van Scheikundige Technologie samen aan werken, draait nu zo’n tien jaar. Het gaat binnenkort zijn derde fase in. Eind vorig jaar is voor deze fase anderhalf miljoen gulden aan STW-subsidie (van de Stichting voor Technische Wetenschappen) en anderhalf miljoen gulden aan industriële sponsoring geworven. Ook de TU doet een duit in het zakje met nog eens zo’n bedrag.
Baby boom
Rob Eek is één van de vier aio’s die in de tweede fasewerkzaam zijn geweest. In juni gaat hij als eerste van deze vier promoveren. Op een platvorm halverwege de tien meter hoge proefopstelling in de hal van apparatenbouw legt hij uit wat het UNIAK-project tot nu toe opgeleverd heeft.
,,We hebben een regelsysteem ontwikkeld waarmee je een gewenste gemiddelde grootte van de kristallen, in ons geval ammoniumsulfaatkristallen, kunt instellen en constant kunt blijven produceren. Het is zelfs mogelijk alleen kristalletjes vanaf een bepaalde gewenste grootte uit het proces te isoleren en de rest weer opnieuw in het proces te brengen.”
De grootte van kristallen hangt onder andere af van de tijd die ze in het reactievat verblijven. In dit vat wordt continu ammoniumsulfaat toegevoerd en een deel van de inhoud van het vat weer afgevoerd. Na aftappen worden de kristallen uit de slurry gefilterd of gecentrifugeerd. Naarmate kristallen langer in het reactievat zitten, groeien ze steeds verder totdat ze door te botsen met elkaar en met de roerder weer slijten en een maximale grootte bereikt hebben. Dat groeien gaat via een op het eerste gezicht merkwaardig proces.
Eek: ,,Het is met een populatie groeiende kristallen net als met een groeiende biologische populatie. Op een bepaald moment ontstaan er een boel kleine kristalletjes, zeg maar een baby-boom. Deze hebben relatief veel oppervlak en eten het merendeel van het voedsel (verzadigd ammoniumsulfaat, red.) waardoor ze almaar groter worden en er, door gebrek aan voedsel, nauwelijks meer nieuwe kristalletjes ontstaan. Hoe groter de kristallen worden, hoe minder ze eten. Daardoor krijgt de afvoer of sterfte van de kristallen de overhand en neemt de hoeveelheid voedsel weer toe. Op een gegeven moment is er weer zoveel voedsel over dat er een nieuwe baby-boom plaatsvindt. Zo ontstaat een oscillerende populatie van dan weer veel grote en dan weer veel kleine kristallen. Deze cyclus herhaalt zich grofweg om de zes uur.”
Tafelbladen
Deze oscillatie levert allerlei problemen op. Eek noemt verstopping van het filter of de centrifuge bij het ‘oogsten’ van teveel kleine kristalletjes waardoor de poriën dichtslibben. Of het opwaaien van stof bij opslag van te fijne kristallen. Bij te grote kristallen kunnen problemen optreden als de stof in industriële vervolgprocessen weer opgelost moet worden. Bij de produktie van tafelbladen bijvoorbeeld wordt een grondstof gebruikt die verkregen is via een kristallisatieproces. Als de te grote kristallen niet goed oplossen, ontstaan putjes en korreltjes op het tafelblad.
,,Wij hebben een procesregeling ontworpen waarmee die schommeling in kristalgrootte onderdrukt wordt door de hoeveelheid babykristalletjes constant te houden. Dat gebeurt door on-line te tellen hoeveel er zich in het reactievat bevinden en er meer of minder af te voeren. De tijdens het proces geaborteerde babykristalletjes worden opnieuw opgelost en weer als voeding ingevoerd.”
De opstelling die nu bij apparatenbouw staat heeft een volume van één kubieke meter. Industriële processen gebruiken kristallisatoren van driehonderd kubieke meter of meer. Over deze opschaling zegt Eek: ,,Voor zover wij weten wordt het regelsysteem nog niet industrieel toegepast. Computermodellenvoorspellen dat het ook op grote schaal bruikbaar moet zijn. Maar uit concurrentieoverwegingen vertellen onze sponsors niet wat zij met onze bevindingen doen. Aan de andere kant geeft dit multi-sponsor-project ons veel vrijheid om zelf te bepalen welke kant we opgaan met het onderzoek.”
In de volgende fase van het UNIAK project zullen de onderzoekers zich vooral toeleggen op andere ontwerpen van kristallisatoren die tot een verdere verbetering van het kristalprodukt leiden en tevens het energetisch rendement optimaliseren. (J.O.)
UNIAK-proefopstelling bij Apparatenbouw, met op het platform Rob Eek (Klik voor grotere foto)
Comments are closed.