- Onderzoek , Sluitstuk
- 05/02/2024
Sluitstuk | Reactor warm houden met gaten
TU/e-scheikundig technoloog Leon Rosseau onderzocht hoe je in een chemische reactor zo efficiënt mogelijk de temperatuur kunt regelen. Hij gebruikte daarvoor 3D-geprinte obstakels, en zocht uit welke vorm het beste werkt. Een onderzoeksverhaal over koud bier en wandelpaden in de IKEA.
Wil je tijdens een tuinfeestje of op een festival je drankjes lekker koel houden? Zet ze dan eens tussen water met ijsblokjes en strooi er een flinke hoeveelheid keukenzout over. Dat je in no-time een verkoelend biertje in handen hebt komt door warmteoverdracht, in dit geval van het drankje naar het omringende, extra koude water. In een chemische reactor heb je ook te maken met warmteoverdracht, legt PhD-student Leon Rosseau uit. Maar waar een koud drankje wenselijk is, is een afkoelende reactor dat vaak niet, omdat de chemische reacties door de lagere temperatuur minder optimaal verlopen. Afgelopen jaren onderzocht Rosseau daarom hoe je met hulp van 3D-geprinte vormen de temperatuur in een chemische reactor beter kunt reguleren. Woensdag 7 februari verdedigt hij zijn promotieonderzoek aan de Faculteit Chemical Engineering and Chemistry.
We spreken Rosseau via beeldscherm, hij is midden december met vrouw en hond naar Denemarken verhuisd. Heel koud en veel sneeuw – “je wordt meteen op de proef gesteld.” Daar werkt hij aan een duurzame manier om reactoren te verwarmen, met elektriciteit. Het bevalt goed. Hoewel hij nu meer toepassingsgericht met de energietransitie bezig is, zijn de vraagstukken grotendeels overlappend met zijn promotieonderzoek.
Springplank
“Temperatuur is in een reactor erg belangrijk. Zeker bij reacties die zichzelf afkoelen, zoals bij het maken van waterstof uit aardgas. De snelheid waarmee warmte wordt toegevoegd, bepaalt hoe de reactor opereert; er zijn veel chemische reacties die warmte nodig hebben om goed te verlopen.” Zo maar aan de knoppen draaien om de temperatuur te verhogen werkt volgens Rosseau vaak averechts. Hoe kan de temperatuur in een reactor dan wel gereguleerd worden zonder dat de rest van het chemische proces daar onder lijdt? Rosseau dook onder in de wereld van katalysatoren. Dat zijn stoffen die bijdragen aan een chemische reactie, maar zelf niet reageren. “Stel dat je voor een hoge muur staat. Je kunt er vast wel zelf overheen klimmen, misschien met moeite, maar met een springplank gaat het veel makkelijker en sneller. Dat werkt ook zo in de scheikunde. Als je van het ene naar het andere molecuul wilt reageren, moet je eerst een energiebarrière over. Een katalysator zorgt dat die muur iets lager wordt.”
Optimale blokkade
Dan de chemische reactor zelf. De opstellingen waar Rosseau naar gekeken heeft, hebben standaard lange, dunne buizen. Dat moet het makkelijker maken om warmte aan het systeem toe te voegen. Niet ideaal omdat je veel buizen nodig hebt wat de nodige kosten met zich mee brengt, zegt Rosseau. “Loop je wel eens door de IKEA? Je kunt niet snel even iets pakken van een bepaalde afdeling, maar je moet met de mensenmassa mee over het hoofdpad zodat je via omwegen de hele winkel ziet. Gelukkig zijn er ook shortcuts gemaakt, en kun je via de lampenafdeling direct doorsteken naar de keukenspullen. En dat is eigenlijk precies wat wij gedaan hebben, een chemische infrastructuur aangelegd. We leiden het gas van links naar rechts door de reactor – dat noemen ze ook wel een kruisstroming – door er blokkades in te stoppen. Het gas raakt door die kruisstroming voortdurend de wand van de reactor, die warm is. Zo blijft de temperatuur op niveau. Maar we zagen dat we het proces veel energie-efficiënter kunnen maken, door minuscule gaatjes in de blokkade te maken. De compressor hoeft dan minder hard te drukken om het gas door het systeem te krijgen. Een win-win-situatie.”
Dikke truien
Met een 3D-printer kon Rosseau heel handig diverse structuren van zijn katalysator testen. Die is gemaakt van poreus keramisch materiaal voorzien van nikkel, in poedervorm. Hij laat een voorbeeld van plastic zien. De echte katalysatoren kun je niet zo maar op je hand leggen vanwege het ultrafijne, kankerverwekkende nikkelpoeder – daar heb je een degelijk masker en goede handschoenen voor nodig. “Door deze testen hebben we uiteindelijk de optimale blokkade kunnen beschrijven. Welke vorm, welke gaatjes – hoeveel en hoe diep – maar ook hoe je de blokkades precies in de opstelling zet. Op labschaal werkt dat prima en het liefst willen we nu opschalen richting een commerciële toepassing. Daar zit nog wel wat werk in. Want om van een katalysator van 2 centimeter naar eentje van 4 centimeter te gaan, kwamen we met onze printtechniek al diverse problemen tegen. De keramische pasta kun je in een mooie vorm printen, maar om hem ook stabiel te laten drogen is een uitdaging. En voor een commerciële katalysator moeten we zelfs naar een grootte van 10 cm. Fundamenteel zijn we heel wat stappen verder gekomen en hebben we nu een veel beter inzicht in de werking van diverse parameters in een reactor. “ Die kennis zet Rosseau nu in bij het Deense bedrijf Topsoe, waar hij onderzoekt of hij zijn katalysator-technologie kan gebruiken om de wereld een klein stukje groener te maken. Na zijn promotie wil hij de taal gaan leren, de huidige investering zit hem vooral in wollen warmhouders, lacht een hoopvolle Rosseau. “De lente is in zicht.”
Discussie