Nevenreacties maken chemische processen minder efficiënt. Ze kunnen ook problemen met de apparatuur opleveren. Maar toch wordt er weinig gewerkt aan het voorspellen ervan. Te weinig, volgens Fedor Goumans en Stan van Gisbergen, respectievelijk chief customer officer en ceo van Software for Chemistry & Materials (SCM) in Amsterdam. ‘Het voorspellen gebeurt nu nog niet systematisch’, stelt Van Gisbergen. ‘Er worden wel experimenten gedaan, met name op laboratoriumniveau, maar dat is beperkt. En dat terwijl je eindeloos kunt variëren met de procescondities.’

Onderzoek naar nevenreacties bij het opschalen van processen gebeurt nu vooral op basis van theorie en trial en error. Zulke experimenten kosten veel tijd. Daarnaast zijn de resultaten niet altijd direct te vertalen naar een reële procesinstallatie. ‘Dat is een van de redenen dat bedrijven het riskant vinden om nieuwe processen te introduceren’, zegt Goumans. ‘Eén kleine variatie kan al een onverwachte nevenreactie opleveren die de efficiency van het proces kan verlagen, of erger.’

‘Eén kleine variatie kan al een onverwachte nevenreactie opleveren’

Corrosie

Zo stapte een bedrijf in agro-chemicaliën over op grondstoffen uit een afvalstroom. Het proces was in theorie veel milieuvriendelijker en goedkoper. Maar microverontreinigingen zorgden voor corrosie in de leidingen en vaten. Het leverde het bedrijf tientallen miljoenen euro schade op aan reparaties en gedorven inkomsten. Een ander bedrijf ontwikkelde op laboratoriumschaal een molecuul dat geschikt was om CO₂ af te vangen. In de industriële installatie bleek het molecuul snel zijn activiteit te verliezen door onvoorziene nevenreacties. Hierop besloot de onderneming de ontwikkeling van een CO₂-afvangproces af te blazen.

Hoewel de chemische industrie zo’n 200 miljard euro per jaar in procesinstallaties investeert, dringen innovaties maar langzaam door in de praktijk. Procesontwerpen zijn vaak conservatief, mede vanwege het risico op nevenreacties.

Samen met het Deense bedrijf Hafnium Labs werkt SCM aan een softwarepakket waarmee je kunt voorspellen welke nevenreacties problemen kunnen opleveren in een chemische procesinstallatie. ‘SCM is erg sterk in het uitvoeren van simulaties op moleculair niveau, terwijl Hafnium Labs juist sterk is in het modelleren van mengsels en chemische processen’, zegt Van Gisbergen. ‘Samen willen we een multiscale simulatiesoftwaretool voor nevenreacties ontwikkelen.’

Door simulaties uit te voeren, krijg je niet direct een antwoord op de vraag hoe je een reactor moet bouwen of een proces moet ontwerpen. Maar de simulaties geven wel informatie over welke nevenreacties je experimenteel beter moet onderzoeken aan het begin van een ontwerp. Van Gisbergen: ‘We kijken op moleculair niveau naar de reacties, maar ook naar de effecten op de reactor en op het proces. Met de nieuwe softwaretool kun je de nevenreacties beter screenen, waardoor je een proces sneller en nauwkeuriger kunt ontwerpen.’

Beter inzicht in mogelijke nevenreacties en de effecten ervan kan tot wel € 750 miljoen per jaar aan waarde opleveren en een besparing van 100 miljoen ton CO₂. Dat schat SCM op basis van cijfers van de Europese industrieorganisatie CEFIC en het Duitse DECHEMA.

‘Een volgende stap is complexere reacties en processen te bestuderen’

Katalysator

Enkele grote bedrijven in de olie- en gasindustrie en katalyse hebben aangegeven de tool na interne validatie te willen uittesten. Goumans: ‘We zullen voor hen een case bestuderen met onze software en de resultaten valideren.’

Maar voor het zover is, zal de software van SCM moeten worden gekoppeld aan die van Hafnium Labs. In deze fase simuleert SCM de reacties op moleculair niveau en worden de resultaten toegepast in het simulatieprogramma van het Deense bedrijf. ‘In eerste instantie zullen we kijken naar reacties van kleine organische moleculen. We moeten eerst weten of onze simulaties niet te lang duren en of ze nauwkeurig genoeg zijn. Een volgende stap is complexere reacties en processen te bestuderen, bijvoorbeeld polymerisatie.’

Naast variaties in de reactie-omstandigheden speelt ook de katalysator een grote rol, merkt Goumans op. ‘Wat gebeurt er bijvoorbeeld als je de liganden aan een katalysator aanpast? Ook het oplosmiddel of de activator kan van invloed zijn op de reactie, de efficiency en het ontstaan van bijproducten.’

Meer weten? Bekijk de video van de ’Nanosnelkookpan’: een moleculaire dynamicasimulatie waarbij de feedstock periodiek onder grote druk wordt gezet. Zo kun je reacties sneller laten plaatsvinden, om zo veel mogelijk (neven)reacties te identificeren.