Wervelbedden zijn de `werkpaarden' van de procesindustrie, en meer specifiek ook van de chemische en petrochemische industrie. Een eindeloze reeks producten wordt ermee op grote schaal geproduceerd: brandstoffen, polymeren, kunstmest, bestrijdingsmiddelen, waspoeders.
`Mensen denken dat de technologie voor deze belangrijke producten en processen uitontwikkeld is maar dat is een grote misvatting', zegt professor Hans Kuipers van de onderzoeksgroep Fundamentals of Chemical Reaction Engineering (fundamentele aspecten van de proceskunde). `Het tegendeel is het geval. Grote verbeteringen in de procesvoering zijn te realiseren. Dat levert aanzienlijke kosten-besparingen op vanwege de zeer grootschalige operaties.'
Opschalen
Het ontwerpen en industrieel opschalen van processen met chemische gas/vast-reactoren, waar het hier om gaat, is een weerbarstig traject. Het vergt uitgebreide en tijdverslindende experimenten. De processen in de reactor zijn lastig te voorspellen. Processen die plaatsvinden op de lengteschaal van enkele deeltjes - en dat is op micrometerschaal - zijn maatgevend zijn voor de complexe stromingspatronen die in de reactor als geheel heersen. Om een indruk te geven: industrieel toegepaste fluid bed reactoren bezitten al snel een diameter van tien meter en zijn twintig tot dertig meter hoog. De katalysatordeeltjes die de chemische reacties op gang brengen en effectief laten verlopen, kennen meestal afmetingen van nog geen vijftig micrometer.
Gezien de weerbarstige praktijk beschrijft de groep van Kuipers de fundamentele processen die zich afspelen in wervelbedden op drie onderling samenhangende niveaus waarbij de mate van detaillering per niveau verschilt. Op het meest fundamentele niveau (microniveau) berekent men de interacties tussen gasdeeltjes met een rooster Boltzmann methode. Op het intermediaire niveau (mesoniveau) worden de deeltjes-deeltjes interacties berekend met een discreet deeltjesmodel. Tenslotte past men continue modellen toe, gebaseerd op de kinetische theorie van granulaire (korrelige) stromingen, voor het grootschalige stromingsgedrag in het wervelbed. Daarin worden de gasdeeltjes en deeltjes-deeltjes interacties, verkregen uit de meer gedetailleerde modellen, verdisconteerd.
Internationaal
Het op elkaar afstemmen en integreren van de verschillende benaderingen is een proces van: theorie opbouwen, simulatiemodellen opstellen, proefdraaien, en experimentele validatie. `De laatste vijf jaar zijn we internationaal gezien een van de leidende onderzoeksgroepen voor het numeriek modelleren van wervelbedden', zegt dr. ir. Martin van der Hoef, specialist in computersimulaties van complexe vast/gas stromen. `Met een deel van de grant breiden we onze rekencapaciteit met ongeveer de helft uit. We kunnen dan dertig `nodes' extra laten rekenen aan onze simulatiemodellen. We komen dan op een aantal van negentig gekoppelde rekeneenheden, een soort supercomputer die dag en nacht voor ons aan het werk is.'
Zowel industrie als wetenschap hebben interesse in het werk van de UT-groep. Dit jaar alleen al zullen vier aio's promoveren op modelvorming voor wervelbedden. Volgens Kuipers was de afgelopen jaren de financiering door het bedrijfsleven en overheid (NWO/FOM/STW) redelijk in evenwicht. Met het binnenhalen van de TOP-grant slaat de balans door ten gunste van de overheid.
Prototype
Kuipers: `Met grootschalige simulaties is beter te voorspellen welke processen zich precies in de wervelbedden afspelen. Vooraf is het dan mogelijk om gericht te experimenteren en het is dan niet nodig om al in een vroeg stadium een prototype te bouwen, een belangrijk voordeel voor verbeteringen aan veel reeds bekende industriële toepassingen. Het fundamentele modelleringswerk heeft ook zijn vruchten afgeworpen voor de ontwikkeling van geheel nieuwe wervelbedreactoren waarbij scheiding en chemische reactie succesvol zijn geïntegreerd. De productie van ultra-zuiver waterstof uit methaan (onderzoek van ir. Charudatta Patil en dr.ir. Martin van Sint Annaland) in een membraanwervelbed reactor is hier een voorbeeld van.'
Naast NWO ondersteunt het Dutch Polymer Institute (DPI) het onderzoek aan wervelbedden. In dit technologisch topinstituut proberen wetenschap en industrie elkaar in een pre-competatief stadium te vinden. Een beter begrip van gas/vast en vloeistof/vast meerfasenstromingen is ook op heel andere onderzoeksterreinen van belang, zoals de `granulaire jets' waaraan men samen met de groep van professor Detlef Lohse werkt. Bovendien zijn de inzichten van nut voor onderzoek aan getijde-stromingen en sedimenttransport.
NWO verkoos de UT-inzending voor de TOP-grant samen met zeven andere aanvragen. In totaal kwamen dertig verzoeken binnen. `We zijn hoog geëindigd', zegt Van der Hoef. `We richten ons op een aspect dat in de praktijk belangrijk is maar waar nog weinig betrouwbare kennis over bestaat. Niet alle deeltjes in een wervelbed zijn van gelijke grootte en ook de verdeling is niet altijd gelijkmatig. De tot nu toe ontwikkelde modellen zijn voornamelijk ontwikkeld en getest voor systemen waarin alle deeltjes dezelfde afmetingen bezitten. Deze aanpak heeft waardevolle inzichten opgeleverd, maar voor praktijksystemen is het noodzakelijk om rekening te houden met een meer gevarieerde verdeling in deeltjesgrootte. Blijkbaar vertrouwt NWO ons deze academische vraagstelling, die verweven is met actuele activiteiten in de industrie, wel toe. Het onderzoek aan wervelbedden heeft in Twente al een lange traditie, vanaf 1985 toen professor Van Swaaij ermee begon.'
Wervelbedden zijn de `werkpaarden' van de procesindustrie, en meer specifiek ook van de chemische en petrochemische industrie.
