Hoe laat je stoffen in verschillende fases (vast, vloeibaar, gas) beter met elkaar reageren? Door ze goed door elkaar te roeren. Masterstudent Scheikundige Technologie Thijs Moonen onderzocht hiervoor een nieuw systeem.

Margarine wordt gemaakt door onverzadigde vetten om te zetten in verzadigde vetten via hydrogenatie. Dat houdt in dat de waterstofatomen van waterstofgas zich binden aan de koolstofatomen van de onverzadigde vetten.

Vergelijkbare hydrogenatiereacties vinden plaats bij allerlei andere chemische processen. Hierbij moeten stoffen in verschillende fases met elkaar reageren. Dat gebeurt vaak in een slurryreactor: een reactorvat met een roerder erin. Die roerder roert het gas, de vloeistof en de vaste deeltjes in de reactor door elkaar. De vaste deeltjes zijn katalysatoren, stoffen die ervoor zorgen dat de gassen en de vloeistoffen sneller met elkaar reageren.

“Het nadeel van dit systeem is dat de katalysator na afloop uit het product moet worden gefilterd”, zegt Moonen. “Dat kost geld. Er is nog een nadeel: de gasbelletjes en de vaste deeltjes draaien netjes mee met de vloeistof. Omdat hun plaats ten opzichte van de vloeistof zo onveranderd blijft, botsen de verschillende stoffen minder goed met elkaar, wat wel nodig is voor de reactie.”

De ‘rotating foam reactor’ ondervangt die problemen met een roerder met sponsachtige propellerbladen, die andere wervelingen veroorzaakt. Daardoor worden de gasbelletjes in de vloeistof kleiner en het reactieoppervlak groter. Aan het oppervlak van de roerder is de katalysator al aangebracht. Deze hoeft dus naderhand niet meer te worden gefilterd uit de vloeistof.

Om de reactor te kunnen optimaliseren, moet bekend zijn welke massatransportstap -het transport van een stof naar een andere fase heet in vaktermen massatransport- de meeste tijd in beslag neemt. “Als de overgang van gas naar vloeistof bijvoorbeeld het langst duurt, kun je de gaten in de roerder verkleinen om de gasbelletjes kleiner te maken”, zegt Moonen. Aangezien de reactie uit verschillende stappen bestaat, is het lastig uit te zoeken welke massatransportstap de boel vertraagt.

Moonen liet een vloeibare alkyn (3-methyl-1-pentyn-3-ol) via hydrogenatie overgaan in een alkeen (3-methyl-1-penteen-3-ol). Op de sponsvormige roerder was de katalysator palladium aangebracht als vaste stof.

“Optimaliseren op grond van experimenten bleek erg tijdrovend vanwege het grote aantal variabelen”, zegt de student. “Met wiskundige vergelijkingen hebben we de reacties en het massatransport daarom nagebootst in een computersimulatie. Met behulp van experimentele data kunnen we bepaalde constanten vaststellen, zodat we de uitkomst van reacties uiteindelijk vooraf kunnen voorspellen. Ik heb hiervoor nu het fundament gelegd, zodat mijn opvolger ermee verder kan.”

Tekst: Enith Vlooswijk
Fotomontage: Rien Meulman