naar top
Menu
Logo Print
08/08/2019 - ING. M. DE WIT- BLOK

TECHNOLOGIE VOOR KRISTALZUIVERE CHEMICALIEN BREEKT DOOR

Hydraulische waskolom SoliQz commercieel toegepast

Aan alledaagse producten zoals verpakkingen, kleding, auto's en medicijnen worden zo hoge eisen gesteld dat er meestal zeer zuivere grondstoffen nodig zijn bij hun productie. In het streven naar een circulaire economie is het bovendien belangrijk dat deze producten op een materiaal- en energiezuinige manier worden geproduceerd. Daarbij de wens om zo veel mogelijk gebruik te maken van hernieuwbare grondstoffen of grondstoffen afkomstig van gerecyclede producten. SoliQz - ooit begonnen als spin-out van TNO - richt zich in dat kader op smeltkristallisatie en de Hydraulische Waskolom om chemicaliën met een hoge zuiverheid te produceren voor bovengenoemde toepassingen. De eerste projecten zijn inmiddels gerealiseerd.

 

Mobiele pilotinstallatie voor het testen van de industriële haalbaarheid van toepassingen en het verzamelen van ontwerpgegevens voor de zuivering van chemicaliën met smeltkristallisatie en de Hydraulische Waskolom
Mobiele pilotinstallatie voor het testen van de industriële haalbaarheid van toepassingen en het verzamelen van ontwerpgegevens voor de zuivering van chemicaliën met smeltkristallisatie en de Hydraulische Waskolom

Het idee van de Hydraulische Waskolom (HWK) stamt al uit de tijd direct na de eerste oliecrisis toen het besef groeide dat er iets moest worden gedaan aan het hoge energieverbruik van de industrie wereldwijd. In die tijd waren technieken als smeltkristallisatie al bekend, maar vooral vanuit het laboratorium. Grootschalige toepassingen waren nog ver weg.

KRISTALLISATIE

 

De werking van smeltkristallisatie als zuiveringstechniek is gebaseerd op het feit dat de te zuiveren stof meestal in 100% zuivere vorm uitkristalliseert wanneer het mengsel wordt afgekoeld tot onder zijn vriespunt. Dit ondanks de vriespuntverlagende invloed van verontreinigingen in een mengsel. Het meest bekende voorbeeld is ijs in zeewater. Door de aanwezigheid van zout moet je zeewater koelen tot onder 0 °C om ijs te vormen; dit ijs zal echter zelf nauwelijks zout bevatten omdat zout (in dit geval de vervuiling) niet past in het kristalrooster. De kristallen zijn 'zuiver' water. Hetzelfde natuurkundige principe werkt niet alleen voor ijs, maar ook voor mengsels van organische stoffen en zelfs metalen.

 

ereenvoudigde weergave van het smeltkristallisatie – HWK-proces
ereenvoudigde weergave van het smeltkristallisatie – HWK-proces

 

Wassen

Dirk Verdoes, Chief Technology Officer van SoliQz: “Het vormen van zuivere kristallen is één, maar het scheiden van deze kristallen uit de onzuivere vloeistof is een minstens even belangrijke stap voor het produceren van stoffen met een hoge zuiverheid. Wanneer dit goed werkt, is het product in één stap honderd tot duizend keer minder verontreinigd dan de vloeistof waarin de kristallen zijn gegroeid. In onze Hydraulische Was Kolom (HWK) wordt filtratie gecombineerd met het wassen van de kristallen met hun eigen smelt, waarbij alle vervuilde vloeistof waarin de kristallen zijn gegroeid, wordt weggewassen. Deze scheidings- en wasprocessen verlopen in een HWK één of meer ordegrootten efficiënter dan in een centrifuge of filter."

 

 

Dirk Verdoes, Chief Technology Officer van SoliQz

Dirk Verdoes, Chief Technology Officer van SoliQz

“In tegenstelling tot het klassieke destillatieproces zorgt de hoge selectiviteit van kristallisatie er voor dat één scheidingsstap meestal voldoende is om het gewenste resultaat te bereiken”

 

Toepasbaarheid

Bovenstaande is in principe toepasbaar voor een groot aantal stoffen en zelfs verontreinigingen die sterk lijken op het af te scheiden product, zijn meestal bijzonder goed te verwijderen. Om te onderzoeken of een stof middels smeltkristallisatie en de waskolom is af te scheiden, wordt gestart met een evaluatie achter het bureau. Hierbij wordt vooral gekeken naar het fasediagram dat voorspelt of het gewenste product uitkristalliseert uit de onzuivere voeding en bij welke temperatuur dat gebeurt. Ook wordt gekeken of de viscositeit van de vloeistof niet te hoog is, omdat dat de werking van de HWK bemoeilijkt.

Ten slotte wordt beoordeeld of de vorm en grootte van de kristallen geschikt lijken voor de HWK. Wanneer belangrijke gegevens ontbreken, zijn die vaak via simpele proefjes te achterhalen.

VOORDELEN

Kristallisatie is vooral interessant wanneer het product een hoge zuiverheid moet hebben. De zuiverheid van de grondstoffen bepaalt bijvoorbeeld of een polymeer makkelijk en snel in draden gesponnen kan worden. Ook andere belangrijke eigenschappen zoals kleur, doorzichtigheid en mechanische eigenschappen van het polymere eindproduct zoals verpakkingen hangen samen met de zuiverheid van de grondstoffen.

 

Tabel met resultaten van enkele van de reeds aangetoonde toepassingen. Ondanks verschillen in smeltpunt, viscositeit en type verontreinigingen bevat het product van de HWC 100-1.000 maal minder verontreinigingen dan de Moederloog waarin de kristallen zijn gegroeid
Tabel met resultaten van enkele van de reeds aangetoonde toepassingen. Ondanks verschillen in smeltpunt, viscositeit en type verontreinigingen bevat het product van de HWC 100-1.000 maal minder verontreinigingen dan de Moederloog waarin de kristallen zijn gegroeid

 

 

Daarnaast is smeltkristallisatie een goede optie wanneer het energieverbruik van het productieproces sterk moet worden gereduceerd. In tegenstelling tot het klassieke werkpaard van de chemische scheidingsprocessen, destillatie, zorgt de hoge selectiviteit van kristallisatie er namelijk voor dat één scheidingsstap meestal voldoende is om het gewenste resultaat te bereiken. Ook het werken op het stolpunt in plaats van op het kookpunt van het mengsel levert vaak een grote bijdrage aan een verlaging van de energiebehoefte. Natuurlijk heeft ieder proces en product zijn eigen randvoorwaarden, maar energiebesparingen van 20-90% ten opzichte van destillatie zijn voor smeltkristallisatie eerder regel dan uitzondering. Of een bedrijf smeltkristallisatie gaat toepassen, hangt niet alleen af van de technologie of de kosten. Omschakelen naar een nieuwe zuiveringstechniek kan bijvoorbeeld (psychologisch) lastiger zijn wanneer het een bulkproduct is dat al vele tientallen jaren via destillatie wordt gezuiverd. Voor specialty chemicals liggen de kansen veel beter omdat een hoge(re) zuiverheid vaak nieuwe toepassingen mogelijk maakt. SoliQz kijkt ook met een bovengemiddelde interesse naar toepassingen in de circulaire economie. Bijvoorbeeld met betrekking tot de zuivering van uit biomassa gemaakte chemicaliën. Hierbij kan smeltkristallisatie er mede voor zorgen dat deze producten in kwaliteit en kosten concurrerend zijn met de uit olie gemaakte materialen. Ook het opwerken van de zuiverheid van de grondstoffen (monomeren) die teruggewonnen worden bij de recycling van plastics, is een goed voorbeeld van een nieuw toepassingsgebied binnen de circulaire economie.

DE OPLOSSING NAAR DE MARKT

TNO was één van de partijen die het voortouw namen bij de ontwikkeling van smeltkristallisatie als een goedkope en energiezuinige zuiveringstechnologie. Na het aantonen van de werking op pilotplantschaal werd de opschaling van het proces en de apparatuur op industriële schaal gedemonstreerd. Hierbij werd de kans gegrepen om een grote installatie te bouwen voor een vooraanstaande speler in de petrochemie.

 

Installatie voor het maken van zeer zuiver fosforzuur voor Solvay in Duitsland. Op de voorgrond een skid met een HWK met een diameter van 30 cm, op de achtergrond een skid met de kristallisator
Installatie voor het maken van zeer zuiver fosforzuur voor Solvay in Duitsland. Op de voorgrond een skid met een HWK met een diameter van 30 cm, op de achtergrond een skid met de kristallisator
Ir. Nicolaas Viets, CEO SoliQz
Ir. Nicolaas Viets, CEO SoliQz

Nicolaas Viets, mede-eigenaar en Chief Executive Officer van SoliQz: “Het ging hier om een proces voor BP waarbij paraxyleen wordt gezuiverd. De installatie met een HWK van 0,25 m² was ontworpen voor 5 ton product per uur, maar BP heeft hem opgevoerd tot 9 ton per uur. Daarmee kom je uit op zo'n 288 kton product per jaar voor één HWK met een oppervlak van 1 m². En dát is de schaal die nodig is voor bulkchemicaliën. Dit succes smaakte naar meer en leidde tot de bouw van een tweede industriële installatie die zuiver fosforzuur maakte voor de halfgeleiderindustrie. Voor het etsen van de oppervlakken die later de basis vormen voor chips, is extreem zuiver fosforzuur nodig waarin bijna geen andere ionen mogen zitten."

“De aanvragen komen uit Europa en Noord-Amerika, maar nu in sterk toenemende mate ook uit Azie en specifieker uit landen als China en India waar nog veel nieuwe fabrieken worden gebouwd”

 

COMMERCIALISEREN

Voor TNO waren deze twee succesvolle toepassingen in de industrie het sein dat het onderzoek klaar was en de technologie marktrijp. In 2013 werd de spin-out SoliQz opgericht om de verdere marktintroductie van de HWK te verzorgen. SoliQz heeft nog een exclusieve licentie van TNO, maar sinds 2015 is de Amerikaanse apparatenbouwer Armstrong-Chemtec de hoofdaandeelhouder van SoliQz, dat in deze constructie optreedt als een zelfstandige dochteronderneming.

De eerste industriële referentie voor de HWK: een demo-installatie voor het zuiveren van paraxyleen voor BP (België). De HWK in het midden heeft een diameter van 55 cm en 50 filterpijpen en kon 9 ton paraxyleen per uur zuiveren
De eerste industriële referentie voor de HWK: een demo-installatie voor het zuiveren van paraxyleen voor BP (België). De HWK in het midden heeft een diameter van 55 cm en 50 filterpijpen en kon 9 ton paraxyleen per uur zuiveren

In 2016 is voor de COCI Plant One Rotterdam gekozen als vestigingsplaats. Hier kunnen bedrijven en onderzoeksinstellingen hun innovaties op pilot- en demoschaal onderzoeken. Plant One biedt ruimte, alle nodige vergunningen voor chemisch onderzoek en biedt indien nodig apparatuur en ondersteuning. Dit is voor een start-up een prima omgeving met als kers op de taart nog de aanwezigheid van andere op innovatie gerichte bedrijven.

IN DE PRAKTIJK

Dirk Verdoes: “Sinds 2016 beschikt SoliQz over een eigen pilotplant met kristallisator en HWK waarin we toepassingen uitgebreid kunnen testen. We hebben een lijst met ruim 400 stoffen waarvan we weten - of waarvoor er een sterke aanwijzing is - dat deze gezuiverd kunnen worden met smeltkristallisatie en de HWK. Die lijst groeit nog steeds doordat bedrijven komen met vragen of de technologie ook inzetbaar is voor hun product. En dat is natuurlijk precies waar we naartoe willen."

De testen die in de pilotplant worden uitgevoerd, dienen niet alleen om de potentiële klanten te bewijzen dat hun toepassing mogelijk is, maar leveren ook de ontwerpgegevens voor de uiteindelijke industriële installatie. Na de testen worden het procesontwerp en de ontwerpgegevens overgedragen aan Armstrong-Chemtec, dat het ontwerp en de bouw van de installatie verzorgt. Viets: “Het mes snijdt hierbij aan twee kanten. SoliQz kan zich volledig richten op de procesontwikkeling, de testen en de begeleiding van de klant bij de aflevering van de industriële installatie en Armstrong-Chemtec verzorgt het ontwerp en de bouw van de gehele installatie. Dit zijn al sinds 70 jaar de kernactiviteiten van Armstrong-Chemtec en hiermee is de bouw van de installatie dus in goede en vertrouwde handen. De visitekaartjes en de vestigingsplaats zijn anders, maar in de samenwerking voelt het alsof we naaste collega's zijn met elkaar aanvullende kennis en expertise."

TOEKOMST

Op dit moment heeft SoliQz zestig vragen van klanten of de technologie voor hun product toepasbaar is en zijn er steeds gemiddeld tien klanten met wie er aan testen en/of budgetramingen en offertes voor industriële installaties wordt gewerkt. Verdoes: “Over lopende testen en projecten mogen we meestal niets specifieks vertellen. De bulktoepassingen blijven interessant vanwege de omvang en impact, maar de besluitvorming is dan vaak complex en langzaam. De wat kleinere toepassingen in bijvoorbeeld specialty chemicaliën moeten juist vaak heel snel. Voor de continuïteit van SoliQz is het belangrijk om een goede mix van projecten te hebben en dat houdt het werk bovendien erg afwisselend." De belangstelling voor smeltkristallisatie als zuiveringstechniek en in het uitvoeren van haalbaarheidstesten op de pilotplant in Rotterdam is erg groot. Op de pilotinstallatie denkt SoliQz tien tot twaalf testseries per jaar te kunnen doen. Viets: “De aanvragen komen uit Europa en Noord-Amerika, maar nu in sterk toenemende mate ook uit Azië en specifieker uit landen als China en India waar nog veel nieuwe fabrieken worden gebouwd. We kijken serieus naar het plaatsen van een tweede pilotplant in Azië om letterlijk dichter op die markt te zitten. De toekomst zal verder leren hoe sterk een eventueel sneeuwbaleffect is. Wij kijken ernaar uit!" 

 

Referentie (1): D. Verdoes and J.M. Bassett, “High purity products by crystallization", Specialty Chemicals Magazine (September 2009), p. 32-35