De eerste mechanisch aangedreven voertuigen % stoomlocomotieven % reden op kolen. De geschiedenis herhaalt zich, want ook in de toekomst rijden auto’s op kolen.
Delen
Daar is dan eerst wel benzine van gemaakt: schone benzine met minder zwavel en stikstof.
Petrochemici zijn dol op aardolie. Dit complexe mengsel van vijf tot dertig atomen lange koolstofketens met waterstofatomen daaraan is gemakkelijk te winnen en goed te transporteren. Belangrijker nog: het is door middel van een eenvoudig distillatieproces om te zetten in kerosine, benzine, diesel, en nog wat lichte en zware chemische familieleden.
Helaas voor de dames en heren petrochemici lijkt aardolie als eerste fossiele bron uitgeput te raken. Wellicht al binnen een halve eeuw. De aardgasvoorraad zal nog wat langer mee gaan, maar is verwaarloosbaar ten opzichte van de reserves aan steenkool. De bodem van die fossiele brandstofbron is nog lang niet in zicht. Kolen hebben dus de toekomst.
Goed nieuws voor automobilisten: vloeibare motorbrandstoffen maken uit kolen is weliswaar lastig, maar mogelijk. Het sleutelbegrip is Fischer-Tropschsynthese. Dit proces, genoemd naar de twee Duitse chemici die het in 1923 ontdekten, zet een mengsel van koolstofmonoxide en waterstofgas om in koolwaterstofketens van elke gewenste lengte. Het mengsel van koolstofmonoxide en waterstofgas, ook wel synthesegas genoemd, valt uit vrijwel elke koolstofbron te maken door deze te verhitten. Ook uit aardgas of steenkool.
Fischer-Tropschsynthese was de afgelopen eeuw de techniek van de foute regimes die geboycot werden. De Duitse nazi’s en het Zuid-Afrikaanse apartheidsbewind beschikten zelf niet over aardolie, maar wel over steenkool. Ze pasten het proces als eersten op grote schaal toe. De belangstelling van andere landen voor het proces hield gelijke tred met de olieprijs, die meestal te laag was om het proces economisch aantrekkelijk te maken.
Gebrek aan olie is niet de enige reden die productie van synthetische benzine uit kolen interessant maakt. ,,Uniek voordeel van dit proces is namelijk dat synthesegas makkelijk van zwavel en stikstof valt te ontdoen”, zegt prof.dr. Jacob Moulijn, wiens onderzoeksgroep al vier jaar intensief onderzoek doet aan de tachtig jaar oude Fischer-Tropschreactie. ,,Met de Fischer-Tropschsynthese kan je uit schoon synthesegas benzine maken zonder verontreinigingen. Die benzine voldoet ruim aan de steeds strengere milieuwetgeving.”
Olieraffinaderijen krijgen juist meer moeite om aan de strengere milieunormen op gebied van zwavel en stikstof te voldoen, weet Moulijn. ,,De ‘schoonste’ aardolievoorraden zijn al gewonnen en oliemaatschappijen pompen dus steeds zwavelrijkere olie op.” Verwijdering van die zwavel tijdens de raffinage kost steeds meer energie en grotere investeringen. Als die kosten stijgen kan het maken van benzine uit kolen, iets wat ook veel energie kost, qua prijs toch concurrerend worden, verwacht Moulijn.
Traagheid
De eerste stap in de productie van synthetische benzine, de productie van synthesegas uit steenkool, is voor de universiteit geen interessant onderzoeksterrein. ,,De optimalisatie daarvanis in handen van de industrie.”
De academische uitdaging ligt volledig in het verbeteren van het Fischer-Tropschproces zelf. Alhoewel het idee achter het proces al hoogbejaard is, valt zowel aan de katalysator als aan de reactor nog veel te verbeteren.
Moulijn en zijn collega-hoogleraar dr. Freek Kapteijn zien daarbij een grote rol weggelegd voor hun eigen specialiteit, de monoliet. Een monoliet is een keramisch blok met daarin duizenden smalle, parallel lopende kanaaltjes. Een bekende toepassing ervan is in katalysatoren van auto’s.
De monolietreactor moet de reactoren vervangen die nu voor Fischer-Tropschsynthese worden ingezet. Procesontwerpers moesten tot nu toe namelijk kiezen tussen twee kwaden, de vast-bedreactor of de bellenkolom, beiden met hun eigen nadelen.
Het probleem van de traditionele Fischer-Tropschreactoren schuilt in de vulling van de reactor. Een reactor is geen leeg vat. Er is een katalysator nodig, op het oppervlak waarvan kleine koolstofeenheden zich aaneen rijgen tot ketens. Om de katalysator goed over de reactorinhoud te verdelen, wordt hij in de vorm van kleine poreuze bolletjes in de reactor gestort.
In een vast-bedreactor kunnen de katalysatorbolletjes zich samenpakken tot een compact pakket. Om daar reagerende stoffen doorheen te persen is een enorme druk nodig.
In een bellenkolom worden de deeltjes los opgewerveld en is de druk dus geen probleem. Deze reactor leidt echter tot andere kopzorgen. ,,De botsende katalysatordeeltjes beschadigen snel. Ook moet je ze na de reactie weer van het product zien te scheiden”, zegt ir. Ronald de Deugd, die als promovendus het reactorontwerp onderzoekt.
Waarom dan geen vast bed met grotere katalysatorbolletjes gebruiken? Tijdens de reactie ontstaan wasachtige producten die de poriën van de bolletjes vullen. Dit belemmert de aanvoer van vers synthesegas naar de katalysator. Hoe groter de bolletjes, hoe ernstiger dit probleem.
De monolietreactor heeft geen poriën waarin was kan ophopen. De katalysator zit direct op de wand van de kanalen. En de reactanten laten zich met veel minder druk door deze rechte gangen pompen, dan door het labyrint dat ‘vaste-bedreactor’ heet.
Nukken
,,Een van de zwaktes van het Fischer-Tropschproces is dat het een mengsel van producten oplevert”, biecht Moulijn op. De groeiende koolstofketens verlaten de katalysator namelijk niet allemaal wanneer ze precies dezelfde lengte hebben. Verrassend genoeg valt de verdeling aan producten goed te beschrijven met een enkele parameter die de verhouding weergeeft van de kans op ketenverlenging en ketenbeëindiging. De Deugd: ,,Hoe die ene parameter afhangt van de procescondities zoals temperatuur en druk van het synthesegas is nooit beschreven.” De promovendus wil de reactiekinetiek in meer detail modelleren om daarmee de ketenlengte van de producten die uit de reactor komen te kunnen sturen.
Het gevleugelde gezegde luidt ‘meten is weten’. Daarom investeerde De Deugd veel tijd en moeite in de bouw van een opstelling met zes parallelle reactortjes waarvan hij continu de reactieproducten kan meten. ,,Ik kan nu tegelijkertijd onder zes verschillende omstandigheden de verdeling van de producten meten.” Dit scheelt hem veel tijd, want na elke verandering van druk of temperatuur duurt het een etmaal voordat zich een nieuw reactie-evenwicht heeft ingesteld.
De bouw van de experimentele opzet kende veel tegenslagen. ,,De firma die de opstelling bouwde was niet ingesteld op de complexiteit van ons ontwerp”, aldus De Deugd. Na de ingebruikname van de opstelling ontdekte de promovendus al snel dat de uitgangsstoffen enproducten van de reactie hun eigen %tegengestelde – nukken hadden. De opstelling bleek niet geheel gasdicht waardoor er wat synthesegas lekte. Dat verstoorde de boekhouding van in- en uitgaande stoffen. De minste zorg, want kolendamp is erg giftig en waterstofgas brandbaar. De wasachtige producten lekten niet. Integendeel, ze stolden en verstopten daardoor de leidingen. Een verwarmingselement rondom de leidingen bood uitkomst.
Waterfilter
Terwijl De Deugd de reactiekinetiek opheldert, werkt zijn collega ir. Weidong Zhu aan de oplossing van een ander probleem van Fischer-Tropschsynthese: de vorming van water. Water, dat bij de reactietemperatuur gasvormig is, verlaagt de concentratie van het reagerende synthesegas. Daarnaast deactiveert het de katalysator. Zhu onderzoekt of hij het gevormde water tijdens de reactie uit de reactor kan verwijderen. Dit moet gebeuren met een moleculair filter dat water doorlaat en koolwaterstoffen tegenhoudt. Zo’n filter bestaat uit zeoliet, een poreus kristal van silicium- en aluminiumoxide.
Zhu heeft nog geen werkend waterfilter in handen, maar wel de gereedschappen om er één te ontwikkelen. De Chinese postdoc promoveerde in mei op een methode waarmee hij de selectieve hechting van verschillende stoffen aan de wand van de kanaaltjes in een zeoliet kan bepalen. Zhu: ,,De selectiviteit van de zeoliet voor water hangt af van de verhouding aan silicium en aluminium. Ik zoek de verhouding waarbij water wordt doorgelaten en de overige Fischer-Tropschproducten niet.”
Hoogleraar Moulijn denkt met zijn groep halverwege de ontwikkeling van een nieuwe, commercieel toepasbare Fischer-Tropschreactor te zijn. Hij voorziet dat er in de toekomst een belangrijke rol is weggelegd voor deze reactor: ,,Volgens mij wordt het een unit operation in de chemische industrie.” En dat wil wat zeggen. Een unit operation is een standaard bouwsteen voor het ontwerpen van chemische fabrieken. Zoiets als een distillatietoren dus. En daarmee gaat de Fischer-Tropsch reactor nu toevallig net concurreren.
De eerste mechanisch aangedreven voertuigen % stoomlocomotieven % reden op kolen. De geschiedenis herhaalt zich, want ook in de toekomst rijden auto’s op kolen. Daar is dan eerst wel benzine van gemaakt: schone benzine met minder zwavel en stikstof.
Petrochemici zijn dol op aardolie. Dit complexe mengsel van vijf tot dertig atomen lange koolstofketens met waterstofatomen daaraan is gemakkelijk te winnen en goed te transporteren. Belangrijker nog: het is door middel van een eenvoudig distillatieproces om te zetten in kerosine, benzine, diesel, en nog wat lichte en zware chemische familieleden.
Helaas voor de dames en heren petrochemici lijkt aardolie als eerste fossiele bron uitgeput te raken. Wellicht al binnen een halve eeuw. De aardgasvoorraad zal nog wat langer mee gaan, maar is verwaarloosbaar ten opzichte van de reserves aan steenkool. De bodem van die fossiele brandstofbron is nog lang niet in zicht. Kolen hebben dus de toekomst.
Goed nieuws voor automobilisten: vloeibare motorbrandstoffen maken uit kolen is weliswaar lastig, maar mogelijk. Het sleutelbegrip is Fischer-Tropschsynthese. Dit proces, genoemd naar de twee Duitse chemici die het in 1923 ontdekten, zet een mengsel van koolstofmonoxide en waterstofgas om in koolwaterstofketens van elke gewenste lengte. Het mengsel van koolstofmonoxide en waterstofgas, ook wel synthesegas genoemd, valt uit vrijwel elke koolstofbron te maken door deze te verhitten. Ook uit aardgas of steenkool.
Fischer-Tropschsynthese was de afgelopen eeuw de techniek van de foute regimes die geboycot werden. De Duitse nazi’s en het Zuid-Afrikaanse apartheidsbewind beschikten zelf niet over aardolie, maar wel over steenkool. Ze pasten het proces als eersten op grote schaal toe. De belangstelling van andere landen voor het proces hield gelijke tred met de olieprijs, die meestal te laag was om het proces economisch aantrekkelijk te maken.
Gebrek aan olie is niet de enige reden die productie van synthetische benzine uit kolen interessant maakt. ,,Uniek voordeel van dit proces is namelijk dat synthesegas makkelijk van zwavel en stikstof valt te ontdoen”, zegt prof.dr. Jacob Moulijn, wiens onderzoeksgroep al vier jaar intensief onderzoek doet aan de tachtig jaar oude Fischer-Tropschreactie. ,,Met de Fischer-Tropschsynthese kan je uit schoon synthesegas benzine maken zonder verontreinigingen. Die benzine voldoet ruim aan de steeds strengere milieuwetgeving.”
Olieraffinaderijen krijgen juist meer moeite om aan de strengere milieunormen op gebied van zwavel en stikstof te voldoen, weet Moulijn. ,,De ‘schoonste’ aardolievoorraden zijn al gewonnen en oliemaatschappijen pompen dus steeds zwavelrijkere olie op.” Verwijdering van die zwavel tijdens de raffinage kost steeds meer energie en grotere investeringen. Als die kosten stijgen kan het maken van benzine uit kolen, iets wat ook veel energie kost, qua prijs toch concurrerend worden, verwacht Moulijn.
Traagheid
De eerste stap in de productie van synthetische benzine, de productie van synthesegas uit steenkool, is voor de universiteit geen interessant onderzoeksterrein. ,,De optimalisatie daarvanis in handen van de industrie.”
De academische uitdaging ligt volledig in het verbeteren van het Fischer-Tropschproces zelf. Alhoewel het idee achter het proces al hoogbejaard is, valt zowel aan de katalysator als aan de reactor nog veel te verbeteren.
Moulijn en zijn collega-hoogleraar dr. Freek Kapteijn zien daarbij een grote rol weggelegd voor hun eigen specialiteit, de monoliet. Een monoliet is een keramisch blok met daarin duizenden smalle, parallel lopende kanaaltjes. Een bekende toepassing ervan is in katalysatoren van auto’s.
De monolietreactor moet de reactoren vervangen die nu voor Fischer-Tropschsynthese worden ingezet. Procesontwerpers moesten tot nu toe namelijk kiezen tussen twee kwaden, de vast-bedreactor of de bellenkolom, beiden met hun eigen nadelen.
Het probleem van de traditionele Fischer-Tropschreactoren schuilt in de vulling van de reactor. Een reactor is geen leeg vat. Er is een katalysator nodig, op het oppervlak waarvan kleine koolstofeenheden zich aaneen rijgen tot ketens. Om de katalysator goed over de reactorinhoud te verdelen, wordt hij in de vorm van kleine poreuze bolletjes in de reactor gestort.
In een vast-bedreactor kunnen de katalysatorbolletjes zich samenpakken tot een compact pakket. Om daar reagerende stoffen doorheen te persen is een enorme druk nodig.
In een bellenkolom worden de deeltjes los opgewerveld en is de druk dus geen probleem. Deze reactor leidt echter tot andere kopzorgen. ,,De botsende katalysatordeeltjes beschadigen snel. Ook moet je ze na de reactie weer van het product zien te scheiden”, zegt ir. Ronald de Deugd, die als promovendus het reactorontwerp onderzoekt.
Waarom dan geen vast bed met grotere katalysatorbolletjes gebruiken? Tijdens de reactie ontstaan wasachtige producten die de poriën van de bolletjes vullen. Dit belemmert de aanvoer van vers synthesegas naar de katalysator. Hoe groter de bolletjes, hoe ernstiger dit probleem.
De monolietreactor heeft geen poriën waarin was kan ophopen. De katalysator zit direct op de wand van de kanalen. En de reactanten laten zich met veel minder druk door deze rechte gangen pompen, dan door het labyrint dat ‘vaste-bedreactor’ heet.
Nukken
,,Een van de zwaktes van het Fischer-Tropschproces is dat het een mengsel van producten oplevert”, biecht Moulijn op. De groeiende koolstofketens verlaten de katalysator namelijk niet allemaal wanneer ze precies dezelfde lengte hebben. Verrassend genoeg valt de verdeling aan producten goed te beschrijven met een enkele parameter die de verhouding weergeeft van de kans op ketenverlenging en ketenbeëindiging. De Deugd: ,,Hoe die ene parameter afhangt van de procescondities zoals temperatuur en druk van het synthesegas is nooit beschreven.” De promovendus wil de reactiekinetiek in meer detail modelleren om daarmee de ketenlengte van de producten die uit de reactor komen te kunnen sturen.
Het gevleugelde gezegde luidt ‘meten is weten’. Daarom investeerde De Deugd veel tijd en moeite in de bouw van een opstelling met zes parallelle reactortjes waarvan hij continu de reactieproducten kan meten. ,,Ik kan nu tegelijkertijd onder zes verschillende omstandigheden de verdeling van de producten meten.” Dit scheelt hem veel tijd, want na elke verandering van druk of temperatuur duurt het een etmaal voordat zich een nieuw reactie-evenwicht heeft ingesteld.
De bouw van de experimentele opzet kende veel tegenslagen. ,,De firma die de opstelling bouwde was niet ingesteld op de complexiteit van ons ontwerp”, aldus De Deugd. Na de ingebruikname van de opstelling ontdekte de promovendus al snel dat de uitgangsstoffen enproducten van de reactie hun eigen %tegengestelde – nukken hadden. De opstelling bleek niet geheel gasdicht waardoor er wat synthesegas lekte. Dat verstoorde de boekhouding van in- en uitgaande stoffen. De minste zorg, want kolendamp is erg giftig en waterstofgas brandbaar. De wasachtige producten lekten niet. Integendeel, ze stolden en verstopten daardoor de leidingen. Een verwarmingselement rondom de leidingen bood uitkomst.
Waterfilter
Terwijl De Deugd de reactiekinetiek opheldert, werkt zijn collega ir. Weidong Zhu aan de oplossing van een ander probleem van Fischer-Tropschsynthese: de vorming van water. Water, dat bij de reactietemperatuur gasvormig is, verlaagt de concentratie van het reagerende synthesegas. Daarnaast deactiveert het de katalysator. Zhu onderzoekt of hij het gevormde water tijdens de reactie uit de reactor kan verwijderen. Dit moet gebeuren met een moleculair filter dat water doorlaat en koolwaterstoffen tegenhoudt. Zo’n filter bestaat uit zeoliet, een poreus kristal van silicium- en aluminiumoxide.
Zhu heeft nog geen werkend waterfilter in handen, maar wel de gereedschappen om er één te ontwikkelen. De Chinese postdoc promoveerde in mei op een methode waarmee hij de selectieve hechting van verschillende stoffen aan de wand van de kanaaltjes in een zeoliet kan bepalen. Zhu: ,,De selectiviteit van de zeoliet voor water hangt af van de verhouding aan silicium en aluminium. Ik zoek de verhouding waarbij water wordt doorgelaten en de overige Fischer-Tropschproducten niet.”
Hoogleraar Moulijn denkt met zijn groep halverwege de ontwikkeling van een nieuwe, commercieel toepasbare Fischer-Tropschreactor te zijn. Hij voorziet dat er in de toekomst een belangrijke rol is weggelegd voor deze reactor: ,,Volgens mij wordt het een unit operation in de chemische industrie.” En dat wil wat zeggen. Een unit operation is een standaard bouwsteen voor het ontwerpen van chemische fabrieken. Zoiets als een distillatietoren dus. En daarmee gaat de Fischer-Tropsch reactor nu toevallig net concurreren.
Comments are closed.