Industrie en groene chemie (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introductie

Leerlingen leren een industrieel proces beschrijven met een blokschema, stofstromen en recirculatie berekenen, batch en continu onderscheiden, groene chemie en kringlopen beoordelen en atoomeconomie en E-factor berekenen, met twee animaties.

Destillatiekolom (100 m) van een raffinaderij, Keulen, 2014 (foto: Uwe Aranas, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Industrie en groene chemie

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: T1.1-T1.3, T2.1-T2.3, R&A3.1. Image credit: CEphoto, Uwe Aranas / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan een industrieel proces in een blokschema beschrijven, stofstromen, atoomeconomie en E-factor berekenen en een procesaanpassing beoordelen.

Welke woorden passen bij: een fabriek zo groen mogelijk maken?

Verwacht: afval, energie, grondstof, hergebruik, water, veiligheid, recycling, hernieuwbaar, rendement. Hang de woorden later aan de aspecten van groene chemie (syllabus T2.1) en laat leerlingen zeggen welk woord over berekenen gaat (atoomeconomie, E-factor).

Destillatiekolom (100 m) van een raffinaderij, Keulen, 2014 (foto: Uwe Aranas, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Een fabriek in een blokschema

• Een blokschema beschrijft een proces: de blokken zijn apparaten, de pijlen zijn stofstromen.

• Typische blokken: reactor, scheidingsinstallatie (destilleren, extraheren, filtreren) en warmtewisselaar.

• Bij een pijl horen de stoffen en vaak een massastroom, bijvoorbeeld in kg per uur.

• Bij het tekenen begin je bij de beginstoffen en eindig je bij product en afval.

Syllabus T1.1 (reactoren, scheidingsinstallaties, stofstromen, warmtewisselaars) en T1.2 (met gegevens over een proces een blokschema maken). De foto toont een destillatiekolom van ongeveer 100 m hoog: in werkelijkheid honderden apparaten, in het blokschema een enkel blok. Kijkvraag: welke apparaten verwacht je nog meer in zo'n fabriek? Veelgemaakte fout: een pijl zien als een leiding met één stof. Een stofstroom kan een mengsel zijn, bijvoorbeeld product en onomgezette beginstof. Image credit: CEphoto, Uwe Aranas / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Recirculatie in een blokschema: 100 A vers, 40% omzetting per doorgang (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Onvolledige omzetting en recirculatie

• Vaak reageert per doorgang maar een deel van de beginstof: onvolledige omzetting.

• De scheider haalt het product eruit; de onomgezette stof gaat via recirculatie terug naar de reactor.

• In de animatie: 100 A vers en 40% omzetting per doorgang geeft 250 A de reactor in.

• Zo wordt alle verse A uiteindelijk product, terwijl per doorgang maar 40% reageert.

Syllabus T1.1 (recirculatie, reactoren, scheidingsinstallaties, stofstromen) en T2.1 (onvolledige omzetting). Rekenen aan een continuproces dat constant draait: reactor in = vers + recycle. Omzetting per doorgang 40%: P = 0,40 × 250 = 100 kg per uur, A uit de reactor = 250 − 100 = 150 kg per uur, en dat is precies de recycle. Dus vers 100 + recycle 150 = 250. Massabalans over het hele proces: 100 kg per uur erin, 100 kg per uur eruit. Kijkvraag: hoe groot is de stroom door de reactor als de omzetting per doorgang maar 20% is? Dan 500 kg per uur (P = 100 = 0,20 × 500): een kleinere omzetting betekent een grotere kring en meer pompwerk en scheiding. Veelgemaakte fout: denken dat de totale omzetting 40% is. Een evenwicht kan de reden zijn van de onvolledige omzetting; dat reken je uit bij het onderwerp chemisch evenwicht. Image credit: Eigen animatie

Deel van een warmtewisselaar uit een kraaktoren, Zweden, 2017 (foto: W.carter, publiek domein)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Massa-, element- en energiebalans

• Massabehoud: de massa die erin gaat, komt eruit als product, bijproduct en afval, of blijft in het proces.

• Elementbehoud: elke atoomsoort die erin gaat, komt eruit, alleen in andere stoffen.

• Energiebehoud: een energiebalans laat zien waar warmte vandaan komt en heen gaat.

• Een warmtewisselaar verwarmt koude beginstoffen met een warme productstroom: goede energiehuishouding.

Syllabus R&A3.1 (elementbehoud, energiebehoud/energiebalans, massabehoud/massabalans) en T1.1 (energiehuishouding, warmtewisselaars). De foto toont een deel van een warmtewisselaar met lamellen: het grote oppervlak helpt warmte over te dragen. Kijkvraag: waarom heb je minder brandstof nodig als de hete productstroom de koude toevoer verwarmt? Veelgemaakte fout: denken dat massa in een reactie kan verdwijnen of ontstaan. Een massabalans die niet klopt wijst op een lek, een ophoping of een vergeten stroom. Image credit: W.carter / Wikimedia Commons, publiek domein

Vers 60 kg/h A, recycle 90 kg/h, per doorgang reageert 40% van A. P per uur?

A

24 kg/h

B

36 kg/h

C

150 kg/h

D

60 kg/h

Syllabus T1.1 en T1.2. Reactor in = 60 + 90 = 150 kg/h; P = 0,40 × 150 = 60 kg/h, gelijk aan de verse toevoer (alle A wordt uiteindelijk P). Controle: A uit de reactor = 150 − 60 = 90 kg/h = recycle. 24 kg/h komt van 0,40 × 60 (recycle vergeten), 36 kg/h van 0,40 × 90, 150 kg/h is de stroom de reactor in.

Glazen reactorkolf met koeler op een roerplaat in een lab (foto: BekosVonNimmerland, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Batch, continu, bulk en fijn

• Batchproces: de reactor wordt gevuld, laat reageren en wordt geleegd en schoongemaakt, portie voor portie.

• Continuproces: er stroomt voortdurend beginstof binnen en product naar buiten; goed te regelen.

• Bulkchemie: grote hoeveelheden basisstoffen, meestal continu; fijnchemie: kleine hoeveelheden dure stoffen, vaak batch.

• Batch is flexibel voor wisselende producten; continu is efficiënt voor één stof in grote hoeveelheid.

Syllabus T1.1 (batchproces, continuproces, bulkchemie, fijnchemie) en T2.1 (keuze voor batchproces/continuproces). De foto toont een glazen reactorkolf op een roerplaat: een batchreactor op kleine schaal. Kijkvraag: waarom past een batchproces bij een product dat je maar een paar keer per jaar maakt? Veelgemaakte fout: denken dat continu altijd beter is, of dat bulk gelijk staat aan een lage kwaliteit. Bulk en fijn gaan over hoeveelheid en prijs per kg, niet over zuiverheid alleen. Image credit: BekosVonNimmerland / Wikimedia Commons, CC0

Oude hogedrukreactor voor ammoniak (Haber-Bosch), 2009 (foto: H. Kucharek, CC BY-SA 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Reactieomstandigheden toelichten

• Een toelichting heeft drie delen: de keuze, het effect en de afweging.

• Temperatuur: hoger is sneller, maar kost energie en geeft vaak meer nevenreacties.

• Druk: hoge druk kan een gasreactie gunstig beïnvloeden, maar vraagt dikke wanden, energie en extra veiligheid.

• Bij een evenwichtsreactie beïnvloeden temperatuur en druk ook hoeveel product er maximaal ontstaat.

Syllabus T1.3 (gekozen reactieomstandigheden en scheidingsstappen toelichten) en T2.1 (reactieomstandigheden, nevenreacties, veiligheid, kwalitatieve energiebeschouwing). De foto toont een oude hogedrukreactor voor ammoniaksynthese: de dikke wand hoort bij de hoge druk waarmee zo'n proces werkt. Hoe evenwicht en snelheid de omstandigheden bepalen komt uitgebreid terug bij chemisch evenwicht en reactiesnelheid en katalyse; hier gaat het om de toelichting zelf. Kijkvraag: welk nadeel hoort bij een hogere druk? Veelgemaakte fout: alleen het voordeel noemen en de afweging vergeten. Image credit: Harald Kucharek / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Scheiding, overmaat en nevenreacties

• Kies een scheidingsstap op een verschil in eigenschap: kookpunt (destilleren), oplosbaarheid (extraheren), deeltjesgrootte (filtreren), hechten aan een oppervlak (adsorberen).

• Een overmaat goedkope beginstof laat de dure ondermaat bijna volledig reageren.

• De overmaat scheid je daarna af en voer je terug naar de reactor.

• Nevenreacties geven bijproducten of afval en verlagen de opbrengst aan gewenst product.

• Een bijproduct heeft nog een toepassing; afval niet.

Syllabus T1.1 (scheidingsmethodes uit R&A2.1), T1.3 en T2.1 (overmaat/ondermaat, nevenreacties, bijproducten, onvolledige omzetting). Een scheiding beargumenteer je met het verschil in stofeigenschap (R&A2.2). Kijkvraag: wat gebeurt er met de overmaat na de reactie? Veelgemaakte fout: denken dat een overmaat altijd verspilling is; teruggevoerd is het dat niet, weggegooid wel.

Vul in

Een overmaat van een goedkope stof laat de ondermaat bijna volledig reageren. Wat niet reageert wordt gescheiden en via recirculatie teruggevoerd naar de reactor.

overmaat

ondermaat

recirculatie

bijproduct

recycling

Syllabus T2.1 en T1.1. Verwachte fout: recycling invullen; dat is hergebruik van gebruikte producten, recirculatie blijft binnen één proces.

Hoop suikerbieten bij Eibelstadt, Duitsland, 2021 (foto: DXR, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Aspecten van groene chemie

• Groene chemie ontwerpt processen met weinig afval, weinig energie en weinig risico.

• Kies waar het kan hernieuwbare grondstoffen, zoals suikerbieten, in plaats van fossiele.

• Beperk afval, bijproducten en nevenreacties: ze kosten grondstof en belasten het milieu.

• Let op water, veiligheid en milieueisen, en benut warmte uit exotherme stappen.

Syllabus T2.1 (afval, bijproducten, gebruik van water, hernieuwbare grondstoffen, kwalitatieve energiebeschouwing, milieueisen, nevenreacties, veiligheid). De foto toont een hoop suikerbieten, een hernieuwbare grondstof. Kijkvraag: waarom is een hernieuwbare grondstof niet automatisch groener? Antwoord: ook de teelt, het transport en de verwerking kosten energie, water en land, dus je weegt af. Veelgemaakte fout: aspecten los noemen zonder afweging. Image credit: DXR / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Balen gebruikte PET-flessen bij een recyclingbedrijf (foto: Grendelkhan, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Kringlopen en cradle-to-cradle

• Recycling: gebruikte producten of afval worden grondstof voor nieuwe producten.

• Cradle-to-cradle: ontwerp producten en processen zo dat materiaal na gebruik weer grondstof is.

• Een stofkringloop volgt een stof, een elementkringloop volgt een element, zoals koolstof of stikstof.

• Elementbehoud: atomen verdwijnen niet, ze raken alleen verspreid of in een onbruikbare vorm.

Syllabus T2.3 (cradle-to-cradle, elementkringloop, recycling, stofkringloop) en R&A3.1 (elementbehoud). De foto toont een baal PET-flessen op weg naar recycling. Kijkvraag: waarom kun je een element nooit verbruiken, maar een grondstof wel uitputten? Veelgemaakte fout: recycling verwarren met recirculatie. Recirculatie is terugvoeren binnen één proces, recycling is hergebruik na gebruik. Image credit: Grendelkhan / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Een procesaanpassing beoordelen

• Beoordeel een voorstel met de aspecten: afval, grondstof, energie, water, veiligheid en milieueisen.

• Noem per aspect het effect en weeg af: winst op het ene aspect kan verlies op een ander zijn.

• Onderbouw met gegevens: massa's, atoomeconomie, E-factor, temperatuur, druk of energiegebruik.

• Voorbeeld: recirculatie geeft minder afval en grondstofgebruik, maar kost extra energie voor pompen en scheiden.

• Sluit af met een conclusie: wel of geen verbetering, en waarom.

Syllabus T1.1, T2.1 en T2.3 (voorstellen voor aanpassingen formuleren en beoordelen: eindterm T1). Een goed antwoord op een beoordelingsvraag heeft: genoemd aspect, effect met gegevens, afweging, conclusie. Veelgemaakte fout: alleen één voordeel noemen of een conclusie zonder onderbouwing.

Welk voorbeeld is een elementkringloop?

A

Een PET-fles wordt omgesmolten tot een nieuwe fles

B

Koolstof gaat van CO₂ via planten terug naar CO₂

C

Onomgezette A gaat terug naar de reactor

D

Een product wordt na gebruik als afval gestort

Syllabus T2.3. Een elementkringloop volgt een element door verschillende stoffen heen. De PET-fles is een stofkringloop (recycling), het terugvoeren van A is recirculatie, het storten is geen kringloop.

Atoomeconomie van twee routes naar ethanol, uitgezet als massa (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Atoomeconomie

• Atoomeconomie = massa gewenst product / massa alle beginstoffen × 100%.

• Reken met de kloppende vergelijking: massa = coëfficiënt × molaire massa (Binas).

• C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH: 100%. Via C₂H₅Br + NaOH → C₂H₅OH + NaBr: 30,9%.

• De atoomeconomie hoort bij de gekozen reactie en zegt niets over rendement of omstandigheden.

Syllabus T2.2 (atoomeconomie; de formule staat in een examenvraag in de tekst bij de vraag). Molaire massa's uit Binas: C 12,01; H 1,008; O 16,00; Na 22,99; Br 79,90. Route 1: C₂H₄ 28,05 + H₂O 18,02 = 46,07 (g per mol ethanol), product C₂H₅OH 46,07: 100%. Route 2: C₂H₅Br 108,97 + NaOH 40,00 = 148,96; product 46,07; afval NaBr 102,89 (46,07 + 102,89 = 148,96). 46,07 / 148,96 × 100% = 30,9%. Reacties kloppend: links C 2, H 6, O 1; rechts C 2, H 6, O 1 (route 1); route 2: links C 2, H 5 + 1, Br 1, Na 1, O 1; rechts C 2, H 5 + 1, O 1, Na 1, Br 1. Kijkvraag: welke atomen eindigen als afval bij route 2? Na en Br. Veelgemaakte fout: de coëfficiënten vergeten bij het optellen van massa's. Image credit: Eigen animatie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

E-factor

• E-factor = massa afval / massa gewenst product. Hoe lager, hoe minder afval per kg product.

• Afval is alles wat geen gewenst product is: bijproduct, onomgezette stof die niet terugkeert, hulpstoffen.

• Voorbeeld: 5,0 ton beginstof en 2,0 ton oplosmiddel (niet teruggewonnen) geven 1,5 ton product.

• Afval = 5,0 + 2,0 − 1,5 = 5,5 ton, dus E = 5,5 / 1,5 = 3,7.

• Fijnchemie heeft door veel stappen en hulpstoffen meestal een hogere E-factor dan bulkchemie.

Syllabus T2.2 (E-factor). Een examenvraag zegt wat je tot het afval rekent.Controle: 5,0 + 2,0 = 7,0 ton in, 1,5 ton product, dus 5,5 ton afval; 5,5 / 1,5 = 3,67, afgerond op twee significante cijfers 3,7. Massa's in dezelfde eenheid. Fijnchemie heeft per kg product doorgaans meer afval door de vele stappen en hulpstoffen dan bulkchemie, dus meestal een hogere E-factor. Kijkvraag: wat gebeurt er met de E-factor als het oplosmiddel wel wordt teruggewonnen? Dan telt het niet meer mee als afval en daalt de E-factor. Veelgemaakte fouten: delen door de massa beginstoffen en de hulpstoffen vergeten.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Rendement, atoomeconomie en E-factor

• Rendement (zie rekenen met de mol): hoeveel procent van de theoretische opbrengst je echt krijgt.

• Atoomeconomie volgt uit de vergelijking, rendement uit een meting, de E-factor uit alle afval in de praktijk.

• Een hoge atoomeconomie met een laag rendement geeft toch veel afval: de beginstof die geen product wordt.

• Voorbeeld A → P: 100 kg A geeft 80 kg P (rendement 80%), afval 20 kg, dus E = 20 / 80 = 0,25.

Syllabus R&A (rendement als fractie of percentage van de theoretische opbrengst) en T2.2. Controle voorbeeld: AE bij A → P is 100% (één product); praktisch 80 kg van theoretisch 100 kg; afval = 100 − 80 = 20 kg; 20 / 80 = 0,25. Kijkvraag: welke van de drie maten verandert als de fabriek een andere reactie kiest en welke als ze de omstandigheden verbetert? Reactie kiezen verandert de atoomeconomie, omstandigheden verbeteren verhoogt het rendement en verlaagt de E-factor. Veelgemaakte fout: rendement en atoomeconomie als dezelfde grootheid zien.

Kalk branden: CaCO₃ → CaO + CO₂. Atoomeconomie voor CaO?

A

28,0%

B

44,0%

C

56,0%

D

100%

Syllabus T2.2. Reactie kloppend: links Ca 1, C 1, O 3; rechts Ca 1, O 1, C 1, O 2. M(CaCO₃) = 100,09; M(CaO) = 56,08 g mol⁻¹ (Binas: Ca 40,08; C 12,01; O 16,00). 56,08 / 100,09 × 100% = 56,0%. 44,0% is het deel dat CO₂ wordt (afval), 28,0% komt van delen door 200 en 100% van denken dat één product 100% geeft. Verwachte fout: 44,0%.

Batch: 8,0 kg beginstof + 3,0 kg oplosmiddel (afval) geven 4,5 kg product. E-factor?

A

1,4

B

0,78

C

0,69

D

2,4

Syllabus T2.2. Afval = (8,0 − 4,5) + 3,0 = 6,5 kg; E = 6,5 / 4,5 = 1,44 = 1,4 (twee significante cijfers). 0,78 komt van het oplosmiddel vergeten (3,5 / 4,5), 0,69 van de breuk omdraaien en 2,4 van alle massa in (11,0 / 4,5) delen door het product.

Wat vond je het lastigst?

1

Stofstromen en recirculatie

2

Batch, continu, bulk en fijn

3

Groene chemie en kringlopen

4

Atoomeconomie en E-factor

Gebruik de keuzes om te bepalen welk blok je nog eens doorloopt voor de examentraining.

Noem een aanpassing en een nadeel ervan.

Bijvoorbeeld: recirculatie (nadeel: extra energie voor pompen en scheiden), warmtewisselaar (nadeel: extra apparatuur en onderhoud), hernieuwbare grondstof (nadeel: land en water voor de teelt). Fout: alleen een voordeel noemen.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Begrippen (1/2)

• blokschema: schema met apparaten als blokken en stofstromen als pijlen

• stofstroom: stof of mengsel dat door een pijl in het schema loopt

• recirculatie: onomgezette beginstof terugvoeren naar de reactor

• batch- en continuproces: portie voor portie tegenover voortdurend produceren

• bulk- en fijnchemie: grote hoeveelheden basisstof tegenover kleine hoeveelheden dure stof

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Begrippen (2/2)

• groene chemie: processen ontwerpen met weinig afval, energie en risico

• atoomeconomie: massa gewenst product / massa alle beginstoffen × 100%

• E-factor: massa afval / massa gewenst product

• recycling: gebruikte producten of afval worden grondstof voor nieuwe producten

• cradle-to-cradle: ontwerpen zodat materiaal na gebruik weer grondstof is