Thomas van de Sandt
Wie denkt dat processen in de petrochemie al zo ver zijn geoptimaliseerd dat ontwikkelingen nog slechts in muizenstapjes gaan, staat op 8 en 9 november in het Shell Technology Centre Amsterdam (STCA) met zijn oren te klapperen.
Tijdens het congres ‘Controlling Particle Size in Catalysis’, georganiseerd door de sectie katalyse van de KNCV en Shell, blijkt namelijk dat de ontwikkelingen in de katalyse, de stille motor achter raffinaderijprocessen, steeds sneller gaan. En dat geldt zeker ook voor de katalysatoren die gastheer Shell zelf gebruikt, aldus twee wetenschappers die binnen het olie- en gasconcern onderzoek doen.
Een goed voorbeeld is het proces dat Shell gebruikt om zwavelverbindingen uit diesel te halen, voor de productie van minder vervuilende brandstoffen. ‘De activiteit van de katalysatoren die we hiervoor gebruiken, verdubbelt elke drie tot vier jaar’, vertelt prof.dr. Thomas Weber, voorzitter van de KNCV-sectie katalyse en principal scientist bij Shell. ‘Het gaat dus in een enorm tempo.’
Een voorbeeld van de snelle ontwikkelingen is de verschuiving richting nanomaterialen, niet toevallig het thema van het congres. ‘Naarmate katalysatordeeltjes kleiner worden en van vorm veranderen, wisselen ook hun eigenschappen. Daar proberen we met op maat gemaakte deeltjes gebruik van te maken. De laatste jaren is er een heel snelle vooruitgang in zowel het maken als het karakteriseren van nanodeeltjes’, aldus Weber.
Het effect van de deeltjesgrootte is onder andere goed terug te zien bij de GTL-fabrieken (gas to liquid) van Shell, waarin het bedrijf gebruik maakt van het Fischer-Tropsch-proces voor het maken van vloeibare brandstoffen uit aardgas. ‘Als je de katalysator van vorm verandert, heeft dat niet alleen invloed op de activiteit, maar ook op de lengte van de ketens van het reactieproduct’, weet dr. Bob Scheffer, general manager catalyst development van Shell. ‘En dat maakt nogal wat verschil. Bij onze twintig jaar oude fabriek in Bintulu gebruiken we de eerste generatie GTL-katalysatoren. Bij onze nieuwe, grote Pearl-installatie in Qatar de tweede generatie. Die katalysatoren kunnen we niet meer in Bintulu gebruiken, om dezelfde reden dat je geen Ferrari-motor in een Mini wilt zetten.’
Over het algemeen geldt bij GTL dat de ketens van het reactieproduct zo lang mogelijk moeten zijn. Die worden later weer gekraakt om er verschillende producten mee te maken; behalve diesel en benzine zijn dat bijvoorbeeld vliegtuigbrandstof en smeerolie. Begin dit jaar vloog nog het eerste vliegtuig op GTL-kerosine van Qatar naar Amsterdam.
‘Het mooie is, dat we met behulp van katalysatoren onze GTL-producten zo’n beetje molecuul voor molecuul kunnen ontwerpen. Op die manier krijgen ze heel andere eigenschappen dan op olie gebaseerde producten. Zo zijn de GTL-brandstoffen heel schoon en is de viscositeit van GTL-smeeroliën minder afhankelijk van de temperatuur’, vertelt Scheffer.
Dat de ontwikkeling van katalysatoren in een stroomversnelling is geraakt, is voor een groot deel te danken aan de ontwikkeling van high throughput experimentation. Karakteristiek aan deze trend in de chemie, die zo’n beetje vijf jaar geleden bij Shell is ingezet, zijn de grote aantallen preparaties en analyses die in korte tijd worden uitgevoerd. In het r&d-centrum van Shell in Houston, bijvoorbeeld, staat een robot die continu katalysatoren van verschillende samenstellingen maakt en test. ‘Sinds de high throughput experimentation is de ontwikkelingstijd van nieuwe katalysatoren gehalveerd, stelt Weber.
Voor de scheikundigen Fritz Haber en Carl Bosch was een dergelijke robot geen overbodige luxe geweest. Voor de door hen beschreven omzetting van stikstof en waterstof tot ammoniak testten zij begin twintigste eeuw maar liefst 10.000 verschillende katalysatormonsters. ‘Dat kostte hun enkele jaren, terwijl dat nu in een fractie van de tijd gebeurt’, aldus Scheffer.
