Manipulation of solid particle flow in microreactors for efficient chemical conversion
Manipulatie van vaste‑deeltjesstroming in microreactoren voor efficiënte chemische omzetting
Het gebruik van stromende nanodeeltjes of microdeeltjes voor (foto)katalyse en voor het verbeteren van massatransport in microreactoren opent een nieuwe weg voor chemische procesintensificatie. In haar proefschrift bestudeert Jie Zong nanovloeistof (het dispergeren van nanodeeltjes in basisvloeistoffen) als een pseudo-homogene fase in microreactoren. Zong toont aan dat het toevoegen van nanodeeltjes de wand van de PTFE-microreactor hydrofieler kan maken door afzetting van nanodeeltjes. Dit veroorzaakt een smerende vloeistoffilm rond gasbellen, wat het stromingspatroon fundamenteel verandert. Daarnaast kan de gemeten drukval onder N2-nanovloeistof “slug flow” nauwkeurig worden voorspeld door semi-empirische drukvalmodellen. Verder kan de algehele vloeistofzijdige volumetrische massa-overdrachts coëfficiënt (kLa) aanzienlijk worden verbeterd door het verhogen van de gas-nanovloeistof stroomverhouding, het nanovloeistof debiet en de nanodeeltjes concentratie, of door het verkleinen van de deeltjesgrootte.
Verder onderzocht Zong de reactieprestatie van heterogene (foto)katalytische reacties met behulp van (foto)katalysatorsuspensies, zowel in batch- als in microreactoren. Ze vond een significante procesintensificatie in microreactoren voor de fotodegradatie van ofloxacine, voornamelijk door de kortere lichtpenetratiediepte en de verbeterde gas-vloeistof-massaoverdrachtssnelheid in vergelijking met batchprocessen. Bij de hydrogenering van levulinezuur tot γ-valerolacton toonde de microreactor echter potentieel, maar werd hij geconfronteerd met uitdagingen door de slechte katalysatordispersie, aanzienlijke waterstofpermeatie door de microreactorwand en een beperkte γ-valerolactonopbrengst. Tot slot moeten toekomstige richtingen voor het verbeteren van de operationele stabiliteit op lange termijn van nano-/microdeeltjessuspensies, de algehele energie-efficiëntie en de ontwikkeling van gesloten-lussystemen voor continu katalysatorherstel en -regeneratie nog verder worden onderzocht.
Jie Zong voerde haar onderzoek uit bij het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG).