De energieconsumptie van de chemische en petrochemische industrie in Nederland is gigantisch. Volgens het Energie Centrum Nederland verbruikte de branche in het jaar 2000 880 petajoule (PJ). Eén PJ komt overeen met 31,6 miljoen kubieke meter aardgas of 277,2 miljoen kWh elektriciteit. Daarvan werd veertig procent gebruikt voor scheidingsprocessen. Ter vergelijking: het totale energieverbruik in Nederland bedroeg volgens het Centraal Bureau voor Statistiek in dat jaar 3.100 PJ.

Los van dat hoge energieverbruik steken chemische bedrijven jaarlijks tussen de veertig en zeventig procent van hun investeringen en operationele kosten in scheidingstechnologie. Dat zijn enorme bedragen. Geen wonder dus dat grote spelers als Shell, DSM en andere multinationals op zoek zijn naar goedkopere alternatieven om hun grondstoffen en productstromen te zuiveren.

Aan de TU/e-faculteit Scheikundige Technologie loopt al enige tijd onderzoek naar één van die alternatieven: een procedé met de naam FricDiff, een verkorting voor ‘Friction Difference’. Het scheidingsproces werd ontdekt in de jaren twintig van de vorige eeuw. Sindsdien is er wel mee geëxperimenteerd, maar kwam het niet echt tot een doorbraak. Scheiding volgens het FricDiff-principe vindt plaats door gas- of dampmengsels door een ‘sweep gas’ te laten verspreiden. Dit sweep gas is een gasvormige of dampvormige component die aan het systeem wordt toegevoegd om de scheiding te bewerkstelligen. Als de componenten van het mengsel verschillende verspreidingssnelheden hebben in het sweep gas, kunnen zij gescheiden worden.

Bianca Breure sloot in 2005 aan bij het TU/e-onderzoek naar de mogelijkheden van FricDiff. Als promovenda testte ze de scheidingsmethode om water en alcohol te scheiden. Ze gebruikte daarbij koolstofdioxide en stikstof al sweep gas. Met een betere, meer geavanceerde proefopstelling voerde ze een aantal nieuwe experimenten uit. Het belangrijkste onderdeel van de opstelling is de module waarin de scheiding plaatsvindt. Deze module bestaat uit een poreuze roestvrijstalen buis van 36 centimeter lang, waardoor een damp van alcohol en water stroomt. In een grotere roestvrijstalen buis daaromheen wordt het sweep gas in tegengestelde richting gestuurd. Als gevolg van concentratiegradiënten zal het sweep gas zich naar de binnenbuis verplaatsen en de alcohol en het water naar de buitenbuis. Verschillen in diffusiesnelheden van water en alcohol in het sweep gas zorgen ervoor dat het mengsel in de binnenbuis (op een sweep gasvrije basis) verrijkt zal worden in alcohol. Het hele scheidingsproces vindt plaats in een bad van thermische olie, dat op een constante temperatuur van honderdtwintig graden Celsius wordt gehouden om condensatie van dampcomponenten in de module te voorkomen. Na het verspreidingsproces worden de alcohol-rijke en alcohol-arme productstromen naar een condensator gestuurd, waar het sweep gas wordt verwijderd.

Het proces wordt beïnvloed door tal van parameters. De druk, stroomsnelheid, verhouding tussen sweep gas en dampmengsel, het soort sweep gas en de poreusheid van de buis spelen allen een rol. Er was genoeg voorhanden om te testen, maar het onderzoek kende een behoorlijke tegenslag. “De perikelen rond de experimentele opstelling voor de scheiding van dampmengsels hebben mij toch wel een aantal slapeloze nachten bezorgd”, vertelt Breure. “De opstelling was pas drieënhalf jaar na de geplande datum gereed. Gelukkig heb ik in de korte tijd dat ik kon meten voldoende experimentele data kunnen genereren waarmee ik de numerieke modellen kon valideren. Helaas heb ik niet alle procesparameters kunnen testen, zodat het onderzoek meer uit modelleren bestond dan uit experimenten. Het zou eigenlijk fiftyfifty moeten zijn.”

Toch wist Breure aan te tonen dat de kinetische scheidingsmethode werkt. Echter: “Voor toepassing als universele scheidingsmethode op industrieel niveau is het niet geschikt. De selectiviteit die je met een kinetische scheiding kunt behalen is niet zo hoog, daardoor is het met een enkele FricDiff-module niet mogelijk om een mengsel te scheiden in twee zuivere productstromen. Bovendien dient uit beide stromen die de FricDiff-module verlaten het sweep gas verwijderd te worden. Het zal daardoor erg moeilijk zijn voor FricDiff om te concurreren met scheidingsprocessen gebaseerd op bijvoorbeeld selectieve membranen. Tja, dat is wel jammer. Je hoopt echt een verbetering aan te brengen in de chemische industrie, maar dit soort uitkomsten hoort nu eenmaal bij onderzoekswerk.”

Helemaal kansloos is FricDiff in de toekomst niet. Breure denkt dat de scheidingsmethode voor bepaalde nichemarkten toch interessant kan zijn. “FricDiff is een erg robuuste technologie, we maken gebruik van modules van roestvrijstaal. Deze zijn veel sterker dan keramische of polymeermembranen. Dit kan voor bepaalde omstandigheden een reden zijn om FricDiff te verkiezen boven membraanprocessen.” (FvO)/.