Bij het ontwerpen van chemische reactoren gaat het er om reacties zo snel en efficiënt mogelijk te laten verlopen. Vooral bij de toepassing van katalysatoren, hulpstoffen die de reactie faciliteren, is dat nog niet eenvoudig. Procesmatig is het vaak handig om de katalysatoren – metaalverbindingen bijvoorbeeld – op een vast dragermateriaal in de reactor te brengen. Ze zijn dan gemakkelijk van de reactieproducten gescheiden te houden en relatief eenvoudig te regenereren. Maar die vaste drager zorgt wel voor verstoring van de stroming van de reagerende vloeistoffen en gassen. Reactorchemici zijn daarom altijd op zoek naar dragermaterialen die heel ‘open’ zijn en daardoor de werking van de reactor minimaal belemmeren.

Gestold schuim

De Eindhovense onderzoeker Charl Stemmet paste de afgelopen jaren in een project voor de Technologiestichting STW een tamelijk bijzonder poreus dragermateriaal toe. Het is eigenlijk nog het best te beschrijven is als ‘gestold schuim’ en lijkt sterk op het schuim dat we kennen van zeep of bier. Maar het bestaat uit een vast materiaal zoals aluminium, koolstof, platina of roestvast staal. Dit vaste schuim heeft de afgelopen tien jaar al verschillende industriële toepassingen gekregen, bijvoorbeeld bij het stabiliseren van gasstromen of het afvangen van vocht uit gassen.

Als dragermateriaal voor katalysatoren is het vaste schuim ook zeer geschikt omdat het heel erg open is: het is voor meer dan 90% ‘leeg’ -in het geval van koolstof tot wel 97%. Daarbij heeft het ook een zeer groot oppervlak per reactorvolume. Bij veel reacties is dat van groot belang voor de capaciteit van de reactor: hoe groter het specifieke oppervlak van het dragermateriaal, hoe hoger de productie per eenheid van reactorvolume.

Meerfasereactor

Tot nu toe werd het vaste schuim alleen onderzocht als katalysatordrager bij reacties waarin uitsluitend vloeistoffen of gassen aanwezig zijn. Charl Stemmet is de eerste die _meerfase_reacties onder de loep heeft genomen, waarin dus zowel gassen als vloeistoffen een rol spelen. Dat maakte het onderzoek een stuk lastiger, maar het betekent wel een enorme vergroting van het toepassingsgebied van het vaste poreuze schuim.

Stemmet bepaalde met berekeningen en experimenten het stromingsgedrag van gassen en vloeistoffen in het vaste schuim en stelde op basis daarvan de ontwerpparameters vast voor een meerfasereactor. Hij nam de proef op de som in een testreactor die hij vergeleek met de gebruikelijke reactoren waarbij de katalysator is aangebracht op dragermateriaal dat als kleine kogeltjes of ringetjes in de reactor is gestapeld (de zogenaamde gepakt-bed-reactor).

De vergelijking viel duidelijk uit in het voordeel van de schuimreactor. Bij een gepakt bed is de katalysator vaak verspreid in het volume van het dragerdeeltje en dus moeilijk bereikbaar voor de reactanten. In het vaste schuim is de katalysator op het oppervlak aanwezig en daardoor veel makkelijker te bereiken. Bij gelijke gas- en vloeistofstromen en gelijke productiesnelheid moet de schuimreactor weliswaar anderhalf keer groter zijn dan een gepakt-bed-reactor, maar daar staat tegenover dat de drukval aanzienlijk kleiner is. Met andere woorden: de mate waarin het schuimmateriaal de doorstroming van de gassen en vloeistoffen belemmert, is maar liefst tien keer kleiner dan bij een gepakt bed. Dit betekent dat bij toepassing van het vaste schuim het energieverbruik van een reactor in principe met een factor tien is te verlagen.

Dat is koren op de molen van de chemische industrie die zich flink inspant om het energieverbruik te verminderen en de CO2-emissie te verlagen. Stemmets resultaten zijn dan ook basis voor verdere ontwikkeling bij de industriële gebruikers in het STWproject, waaronder BASF Nederland, DSM Research en Shell Global Solutions International.