Download het artikel in 
Het gaat hierbij om ontwikkelingen die leiden tot substantieel kleinere, schonere en energie-efficiëntere technologieën en zijn een krachtig instrument om efficiënter en goedkoper te opereren.
De industrie vandaag kent een toenemende nood aan kortere ontwikkeltijden en efficiëntere productie. Daarnaast is er behoefte aan minder afvalproductie en energieverbruik en meer kwaliteit en rendement. In veel industrietakken hebben de afgelopen decennia geleidelijke schaalvergroting en deeloptimalisatie van processen plaatsgevonden, wat zelden geleid heeft tot een ‘overall’ ideale situatie. In veel gevallen zou het daarom beter zijn met een fundamenteel herontwerp een beter afgestemde installatie te creëren.
In deze bijdrage over procesintensivering (proces intensification) leggen we het principe en de voordelen uit, met oog voor de chemische industrie, en gaan we dieper in op een voorbeeld van een minireactor.
Principe en voordelen
Onderzoekers aan verschillende universiteiten en industriële onderzoekscentra werken aan innovatieve apparatuur en technieken om het huidige fabrieksconcept te transformeren en zo te komen tot compacte, veilige, energie-efficiënte en milieuvriendelijke duurzame processen. Gemeenschappelijke focus van de ontwikkelingen is procesintensivering. Deze benadering bestaat al enige tijd, maar is pas recent doorgebroken als discipline met potentieel.
Procesintensivering staat voor de ontwikkeling en implementatie van innovatieve apparatuur en procesmethoden die, in vergelijking met deze die vandaag gebruikt worden, aanzienlijke verbeteringen kunnen brengen in productie en procedé, de verhouding tussen machineafmetingen en productiecapaciteit substantieel verkleinen, energieverbruik en/of afvalproductie verminderen, wat uiteindelijk moet resulteren in goedkopere, duurzame technologieën. Zo kan door gebruik te maken van minder veel meer geproduceerd worden. Dit kan gaan van tientallen tot duizenden procenten.
Vaak kan bij herontwerp van een productieplant het aantal processtappen worden beperkt en kunnen installaties kleiner worden gedimensioneerd, waardoor in de fabriek extra ruimte vrij komt. Dergelijke innovatieve technologische ontwikkelingen zijn de enige manier om ook op lange termijn een aanzienlijk voordeel tegenover de concurrentie te halen. Veel chemische productieprocessen zijn bijvoorbeeld nog gebaseerd op 19de eeuwse methodes, waarin gebruik gemaakt wordt van batchtechnologieën om reacties en scheidingen tot stand te brengen. Deze processen zijn inefficiënt en vergen veel tijd.
Ander principes
Procesintensivering stelt andere principes voor, zoals continue processen in plaats van batchprocessen, en verbetering van de condities waaronder reacties plaatsvinden. In deze innovatieve systemen worden de chemische processen niet gelimiteerd door de technologie, maar door de chemie en de natuurkundige verschijnselen zelf. Dit resulteert in een enorme toename in efficiëntie en controleerbaarheid, waardoor er bespaard wordt op grondstoffen, energie en afvalproductie en waardoor een hogere opbrengst en kwaliteit worden bereikt. Bovendien vergroot het de veiligheid van de installaties.
Ingebedde apparatuur, verwerkingstechnieken en operationele methoden kunnen met hun kleinere afmetingen en een hogere efficiëntie spectaculaire verbeteringen brengen in fabrieken. Deze ontwikkelingen kunnen uitmonden in het verdwijnen van sommige traditionele apparatuur tot zelfs volledige eenheidbewerkingen. Processen op kleinere schaal uitvoeren brengt volgende voordelen met zich : zo zijn de veiligheidsrisico’s van kleinere installaties lager en de overlast (geur, geluid, ...) minder, neemt de kwaliteit van het vervaardigde product toe (door een betere procesbeheersing) en is ook de hoeveelheid afval kleiner. Bovendien daalt het energiegebruik en is de investering in kleinere installaties lager dan die in een klassieke fabriek die hetzelfde produceert.
In de chemischeindustrie
Procesintensivering in de chemische industrie situeert zich in twee gebieden: procesintensiverende installaties, zoals innovatieve reactoren en toestellen voor intensief mengen, transfer van warmte en massa, en procesintensiverende methodes, zoals nieuwe of hybride scheidingsprocessen, integratie of reactie en scheiding, warmte-uitwisseling of fasetransitie (in zogenaamde multifunctionele reactoren), technieken die gebruik maken van alternatieve energiebronnen (licht, ultrasound, ...) en nieuwe procescontrolemethoden. Er kan overlap optreden: nieuwe methoden kunnen de ontwikkeling van innovatieve types apparatuur vereisen, terwijl al ontwikkelde innovatieve apparaten gebruik maken van nieuwe, onconventionele verwerkingsmethoden (zoals procedés met een intentioneel instabiele toestand).
Minireactoren
Een voorbeeld van procesintensiverende installaties zijn minireactoren als warmtewisselaars. Hiermee kunnen hoge waarden in warmteoverdrachtcoëfficiënten gehaald worden tot 20.000 W/m2K. Microreactoren zijn chemische reactoren met extreem kleine afmetingen die gewoonlijk een sandwichachtige structuur hebben, bestaande uit een aantal lagen met microkanalen (diameter van 10- 100 µm). De lagen hebben meerdere functies, gaande van mengen tot katalytische reacties, warmte-uitwisseling of scheiding. De integratie van deze verschillende functies binnen een enkele eenheid is een van de belangrijkste voordelen van microreactoren. De zeer hoge mate van warmteoverdracht die in microreactoren te bereiken is, laten hoog exotherme processen toe isotherm te werken, wat vooral belangrijk is bij het uitvoeren van kinetisch onderzoek.
De zeer kleine verhoudingen tussen reactievolume en oppervlak maken microreactoren mogelijk aantrekkelijk voor procedés met toxische of explosieve reactanten. De schaal waarop processen die gebruik maken van batterijen van meervoudige microreactoren economisch en technisch haalbaar worden, moet nog altijd worden bepaald. De geometrische configuratie van warmtewisselaars met microkanalen (met gestapelde kruisstroomstructuren) lijkt op deze van de kruisstroommonolieten, hoewel materiaal en gebruikte fabricagemethoden verschillend zijn.
De kanalen in de platen waaruit de warmtewisselaars bestaan hebben gewoonlijk een breedte van ca. 1 mm of minder en worden gemaakt via microbewerken van silicium, diepe X-straallithografie of niet-lithografisch microbewerken. Een voorbeeld zijn warmtewisselaars met microkanalen in een vlakke architectuur die hoge warmtefluxen en convectieve warmteoverdrachtcoëfficiënten vertoont. De waarden van de warmteoverdrachtscoëfficiënten van de warmtewisselaars met microkanalen lagen tussen ca. 10.000 en ca. 35.000 W/m²K. <<
door Rahul Ekatpure, Sirris
Geraadpleegde bronnen
www.imamu.edu.sa en ‘Innovative Technologies for Increased Profitability and Sustainable Manufacturing in Chemical and Related Industries: Process Intensification’, Andrzej Stankiewicz.
Credits
Dit artikel is gerealiseerd door Sirris,
Rob Van Tol, rob.vantol@sirris.be
