De uitstoot van luchtverversingsinstallaties bij laboratoria, drukkerijen en verfspuiterijen is vaak flink vervuild met koolwaterstoffen (vluchtige organische stoffen afkomstig uit onder meer oplosmiddelen, inkt en verf, zoals methanol, aceton, etheen en propaan). De overheid wil blijkens project KWS-2000 dat schadelijke emissies van koolwaterstoffen in het jaar 2000 met 50 procent zijn gereduceerd. Ook de Nederlandse Emissie Richtlijn (punt uit NMP-plus) dwingt tot het terugbrengen van de uitstoot.
De beste manier om de emissie van koolwaterstoffen binnen de perken te houden is serieuze aanpassing van het produktieproces. Wanneer dat lastig is, zijn er de end-of-pipe methoden: biofiltratie, adsorptie met actieve kool, condensatie, thermische en katalytische naverbranding. Van de Beld: 'Welke methode de voorkeur verdient hangt af van de concentratie koolwaterstoffen en het volume van de luchtstroom. Verder is ook van belang of de verontreinigende stof kostbaar genoeg is om terug te winnen.'
Thermische en katalytische naverbranding zijn op zich een leuke optie: bij oxydatie van koolwaterstoffen komen slechts kooldioxyde en water vrij. Thermische reactoren zijn er inmiddels al volop. Katalytische varianten bestaan alleen voor vaste condities. Nadeel is dat al deze methoden veel energie kosten. Jammer, vooral wat betreft katalytische verbranding, want die werkt snel en bij lage temperaturen (circa 400 graden Celsius).
Katalytische verbranding is 'energetisch-ongunstig' omdat vanwege het grote warmteverlies voortdurend gestookt moet worden (de instromende lucht moet vooraf tot 400 graden Celsius worden verhit, terwijl die lucht de reactor met een temperatuur van 450 graden Celsius weer verlaat). Het is dus zaak de reactor zo te ontwerpen dat die kostbare energie terug te winnen is, bijvoorbeeld met behulp van een warmtewisselaar. Van de Belds promotieproject, medegefinancierd door DSM en SON/STW, beoogde het vergroten van de theoretische en experimentele kennis over zulke reactoren.
Het onderzoek resulteerde in een multifunctionele omkeerreactor. 'Reactor en warmtewisselaar zijn in één apparaat geïntegreerd.' Het principe is als volgt: 'Door periodieke omkering van de luchtstroom ontstaat in de reactor een warmteblok, terwijl de lucht bij in- en uitgangen laag van temperatuur blijft. Er is geen uitstroom van hete lucht, dus de in de reactor aanwezige warmte blijft behouden. Eénmaal opwarmen is voldoende. Het proces gaat door zolang bij het verbrandingsproces voldoende reactiewarmte vrijkomt.'
Het gaat kortom om een regeneratief-katalytisch proces dat autotherm of energetisch-neutraal verloopt, zo stelt Van de Beld. Technisch gezien hebben we daarbij te maken met een adiabatische gepakt bed reactor: een op zich tamelijk eenvoudige 'thermosfles', bestaande uit een metalen buis met een vacuüm-wand tegen het weglekken van warmte. De buis is gevuld met katalysatorkorrels (palladium-alumina) waar de vervuilde lucht doorheen gaat. In het hart van de buisreactor is een spiraalvormig elektrisch verwarmingselement aangebracht voor opstart- en controledoeleinden.
Het voordeel van Van de Belds reactormodel is evident: een kleiner energieverbruik dan de bestaande alternatieven. Bovendien werkt het reactieproces al bij zeer lage concentraties koolwaterstoffen (Van de Beld ontwikkelde in dit verband overigens een snelle on-line methode om de minimum-temperatuurte bepalen waarbij nog volledige verbranding optreedt). En tenslotte is de reactor geschikt voor processen waarbij over de tijd sterke schommelingen optreden qua samenstelling, concentraties en doorzet (volume).
Helemaal nieuw is zijn principe van de geïntegreerde reactor niet, bekent Van de Beld. Eind jaren tachtig ontwikkelden Russische ingenieurs al omkeerreactoren voor het verwijderen van zwaveldioxyde uit lucht. Precieze gegevens over de gebruikte reactormodellen en een experimentele onderbouwing bleken amper voorhanden, maar de reactoren functioneerden in ieder geval alleen onder gefixeerde condities. 'Onze primaire taak was dus het begrijpen van het theoretisch principe. Want om een optimaal reactorontwerp te maken heb je voorspellende kennis nodig', aldus Van de Beld.
In zijn onderzoek namen experimenten met een één meter grote modelreactor een belangrijke plaats in. Deze experimenten vonden plaats in het Hoge-druk Laboratorium van de UT. De moeilijkheid bij kleinschalige experimenten is dat schaalafhankelijke factoren optreden die later bij 'opschaling' van het proces problemen veroorzaken. Van de Beld heeft deze factoren in zijn model onafhankelijk bepaald, zodat ze bij eventuele opschaling makkelijk kunnen worden geëlimineerd. De experimentele opstelling werkt overigens prima; het is de eerste in het HDL die volcontinu en volautomatisch draait.
Van de Beld benadrukt het belang van de experimentele kant van het project. 'De huidige trend is dat onderzoekers steeds meer met rekenkundige modellen werken zonder experimentele bevestiging, omdat experimenten vaak tijdrovend en kostbaar zijn. Maar om tot optimale resultaten te komen moet je tegelijkertijd aan modelontwikkeling en aan de praktische experimenten werken. Alleen in zo'n wisselwerking kun je het ontwerp verder verfijnen.'
In dit geval was die wisselwerking prima, zegt Van de Beld. 'Het resultaat van mijn onderzoek is dat we het reactieproces in de reactor nu goed kunnen beschrijven voor een breed scala aan condities. De modelberekeningen corresponderen bovendien mooi met de experimentele data - zonder fitten!' Nu het basisprincipe is doorgrond kunnen bij het ontwerp verdere experimenten beperkt blijven, wat tijd & geld bespaart, aldus Van de Beld.
Op stapel staat nu een vervolgonderzoek om de reactor geschikt te maken voor sterk fluctuerende voeding. Wanneer de concentratie koolwaterstoffen te laag wordt, moet liefst in het hart van de reactor bijgestookt worden om het verbrandingsproces op gang te houden. Dat kan met het genoemde spiraalvormige verwarmingselement dat, omdat het een elektrisch element is, de warmtetoevoer goed controleerbaar maakt. De Spaanse hoogleraar Cunill (Universiteit van Barcelona) komt in mei naar Twente om als research-fellow enkele maanden te werken aan de benodigde vervolgexperimenten.
