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

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introductie

Leerlingen leren een industrieel proces beschrijven met een blokschema, batch en continu, bulk en fijn, de aspecten van groene chemie en het rekenen met atoomeconomie en E-factor, met twee animaties.

Chemiecomplex Chemelot in Sittard-Geleen, vanuit de lucht (foto: NED2011, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Industrie en groene chemie

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: T1.1-T1.6, R&A3.1. Image credit: NED2011 / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan een industrieel proces in een blokschema beschrijven, de keuzes toelichten en de groenheid beoordelen met atoomeconomie en E-factor.

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

Verwacht: afval, energie, grondstof, recycling, water, veilig, duurzaam, hergebruik. Gebruik de woorden later bij de aspecten van groene chemie (syllabus T1.4). Laat leerlingen ook woorden noemen die ze al kennen uit andere lessen, zoals rendement.

Chemiecomplex Chemelot in Sittard-Geleen, vanuit de lucht (foto: NED2011, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Een fabriek in een blokschema

• Een blokschema laat een proces zien: blokken zijn apparaten, pijlen zijn stofstromen.

• In een reactor vindt de reactie plaats: beginstoffen worden omgezet in producten.

• Een scheidingsinstallatie scheidt het product van de rest met een scheidingsmethode.

• Een warmtewisselaar draagt warmte over van de ene stroom naar de andere.

Syllabus T1.1 (blokken en stofstromen) en T1.2: met gegevens over een proces dit met een blokschema beschrijven. Op de foto staat een groot chemiecomplex: in werkelijkheid honderden apparaten, in een blokschema vereenvoudigd tot een paar blokken. Kijkvraag: welke apparaten verwacht je in zo'n fabriek? Veelgemaakte fout: een pijl zien als een leiding met één stof. Een stofstroom kan uit meer stoffen bestaan, bijvoorbeeld product en onomgezette beginstof. Image credit: NED2011 / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

Recirculatie: onomgezette N₂ en H₂ gaan terug naar de reactor (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Onvolledige omzetting en recirculatie

• Vaak reageren niet alle beginstoffen: onvolledige omzetting.

• Voorbeeld: N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃. Per keer wordt maar een deel van de beginstoffen NH₃.

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

• Zo gaat er minder beginstof verloren en ontstaat er minder afval.

Syllabus T1.1 (recirculatie, reactoren, scheidingsinstallaties) en T1.4 (onvolledige omzetting). Reactievergelijking gecontroleerd: links N 2 en H 6, rechts N 2 en H 6. In de animatie is alles vereenvoudigd tot witte stippen (N₂ en H₂ samen) en magenta stippen (NH₃). Kijkvraag: wat gebeurt er met de witte stippen die in de reactor niet reageren? Havo: geen evenwicht; het gaat om het gevolg, een deel reageert niet. Veelgemaakte fout: recirculatie verwarren met recycling. Recirculatie is terugvoeren binnen het proces, recycling is hergebruik van gebruikte producten of afval. Image credit: Eigen animatie

Buizenbundel van een warmtewisselaar, Keulen (foto: CEphoto, Uwe Aranas, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Massa- en energiebalans

• Massabehoud: de massa die erin gaat, komt er weer uit, als product, bijproduct en afval.

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

• Energiebehoud: energie gaat niet verloren; een energiebalans laat zien waar warmte heen gaat.

• Een warmtewisselaar verwarmt een koude stroom met een hete: goede energiehuishouding.

Syllabus R&A3.1 (massabehoud/massabalans, elementbehoud, energiebehoud/energiebalans) en T1.1 (energiehuishouding, warmtewisselaars). Foto: een buizenbundel van een warmtewisselaar wordt uit het huis getrokken. Kijkvraag: waarom bespaart een warmtewisselaar energie? De warme productstroom verwarmt de koude beginstoffen, dus er is minder extra verwarming nodig. Bij een massabalans mag niets 'zoekraken'. Veiligheid: bij onderhoud aan installaties dragen medewerkers helm en veiligheidskleding. Image credit: CEphoto, Uwe Aranas / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Wat gebeurt er bij recirculatie met onomgezette beginstof?

A

Ze wordt als afval afgevoerd

B

Ze verdwijnt in de scheider

C

Ze wordt als product verkocht

D

Ze gaat terug naar de reactor

Syllabus T1.1. Verwachte fout: kiezen voor afval afvoeren, dat is juist wat recirculatie voorkomt.

In: 500 kg beginstof. Uit: 320 kg product, 70 kg bijproduct, rest afval. Afval?

A

180 kg

B

110 kg

C

70 kg

D

890 kg

Syllabus R&A3.1 (massabalans): 500 − 320 − 70 = 110 kg. 180 kg komt van 500 − 320 (het bijproduct vergeten), 70 kg is het bijproduct zelf, 890 kg komt van optellen.

Labreactor met meerdere kleine porties tegelijk (foto: Ichwarsnur, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Batch, continu, bulk en fijn

• Batchproces: reactor vullen, laten reageren en legen, portie voor portie.

• Continuproces: beginstoffen stromen steeds erin en producten eruit, vaak dag en nacht.

• Bulkchemie: grote hoeveelheden basisstoffen, zoals kunstmest; meestal continu.

• Fijnchemie: kleine hoeveelheden dure, zuivere stoffen, zoals medicijnen; meestal batch.

Syllabus T1.1 (batchproces, continuproces) en T1.4 (keuze voor batch of continu). De foto toont een labreactor waarin meerdere kleine porties tegelijk reageren: een batchproces op kleine schaal. Zulke reactoren werken onder druk en zijn alleen voor getrainde gebruikers. Kijkvraag: waarom is een batchproces handig als je vaak een ander product wilt maken? De installatie kan na elke portie schoongemaakt en voor een ander product gebruikt worden. Veelgemaakte fout: denken dat continu altijd beter is. Syllabus T1.1 (bulkchemie, fijnchemie): bulk gaat om de hoeveelheid, niet om 'ruw of vies'. Ammoniak is bulkchemie. Fijnchemie heeft per kilogram product meestal meer afval door extra stappen en zuiveringen, dus een hogere E-factor (blok 4). Image credit: Ichwarsnur / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Industriële destillatie-installatie (foto: Luigi Chiesa, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Omstandigheden en scheiding kiezen

• Reactieomstandigheden zoals temperatuur, druk en katalysator bepalen snelheid en omzetting.

• Een hogere temperatuur versnelt de reactie, maar kost energie en geeft vaak meer nevenreacties.

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

• Scheidingsstappen kies je op een verschil in eigenschap, zoals kookpunt (destilleren).

Syllabus T1.3 (gekozen reactieomstandigheden en scheidingsstappen toelichten) en T1.4 (nevenreacties, ondermaat/overmaat, reactieomstandigheden). De foto toont een industriële destillatie-installatie. Schrijf een toelichting altijd als: keuze, effect, afweging. Voor de scheidingsmethodes zelf: zie het onderwerp mengsels, scheiden en analyse (R&A2.1). Veelgemaakte fout: alleen 'het gaat sneller' noemen en de nadelen (energie, nevenreacties) vergeten. Image credit: Luigi Chiesa / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

Een fabriek maakt dag en nacht grote hoeveelheden één stof. Welk proces?

A

Een batchproces

B

Een fijnchemieproces

C

Een continuproces

D

Een recyclingproces

Syllabus T1.1. Verwachte fout: batchproces kiezen. Grote hoeveelheden en doorlopend produceren hoort bij continu.

Zet de processtappen op volgorde, van begin tot eind

1

Beginstoffen voorverwarmen in een warmtewisselaar

2

Product opvangen en opslaan

3

Het mengsel scheiden in de scheidingsinstallatie

4

Beginstoffen reageren in de reactor

Syllabus T1.2. Een eenvoudig blokschema loopt van beginstoffen via reactor en scheider naar product. Onomgezette stof gaat na het scheiden terug naar de reactor.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Groene chemie: de aspecten

• Groene chemie ontwerpt processen met zo min mogelijk schade voor mens en milieu.

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

• Voorkom afval: bijproducten en nevenreacties kosten grondstof; hergebruik afval waar het kan.

• Energie: komt er warmte vrij (exotherm, zie Energie bij reacties), hergebruik die dan in het proces.

• Water, veiligheid en milieueisen: hergebruik proceswater, vermijd giftige stoffen, blijf binnen de lozingsgrenzen.

Syllabus T1.4 (afval, bijproducten, nevenreacties, hernieuwbare grondstoffen, kwalitatieve energiebeschouwing, gebruik van water, veiligheid, milieueisen) en F4 (risico en veiligheid). Groene chemie (G4) is zelf geen CE-stof, maar de begrippen kunnen via F1 (industriële processen) in het CE voorkomen. Een bijproduct is een stof naast het product die nog bruikbaar is, afval niet. Exotherm en endotherm zijn behandeld in het onderwerp Energie bij reacties; hier gaat het alleen om het gevolg voor het proces (koelen, verwarmen, warmte hergebruiken). Elk proces scoort op sommige aspecten beter en op andere slechter: je weegt de aspecten af. Uitgebreide milieu- en duurzaamheidsvragen horen bij het onderwerp milieu en duurzaamheid. Kijkvraag: waarom is een grondstof die weer aangroeit groener dan een grondstof die opraakt?

Vul in

Een nevenreactie geeft een stof naast het product. Is die bruikbaar, dan heet ze een bijproduct; anders is het afval dat grondstof kost.

nevenreactie

bijproduct

afval

recirculatie

ondermaat

Syllabus T1.4. Verwachte fout: bijproduct en afval verwisselen.

Welke grondstof is hernieuwbaar?

A

Suikerbieten

B

Aardolie

C

Aardgas

D

Steenkool

Syllabus T1.4. Suikerbieten groeien elk jaar opnieuw, de andere drie zijn fossiele grondstoffen die niet aangroeien.

Atoomeconomie: welke atomen worden product en welke afval (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Atoomeconomie

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

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

• Voorbeeld: C₂H₆ + Cl₂ → C₂H₅Cl + HCl geeft 64,51 / 100,97 × 100% = 63,9%.

• Hoge atoomeconomie betekent weinig bijproduct of afval; 100% als er één product is.

Syllabus T1.5 (atoomeconomie). In een examenvraag staat de formule bij de vraag: je moet hem kunnen toepassen. Molaire massa's (Binas): C 12,01; H 1,008; Cl 35,45. C₂H₆ 30,07; Cl₂ 70,90; samen 100,97. C₂H₅Cl 64,51 en HCl 36,46; samen ook 100,97 (massabehoud). 64,51 / 100,97 = 0,6389, dus 63,9%. Vergelijking gecontroleerd: links C 2, H 6, Cl 2; rechts C 2, H 5 + 1, Cl 1 + 1. Kijkvraag: welke atomen eindigen in het afval? Die van H en Cl in HCl. Veelgemaakte fout: de coëfficiënten vergeten. Atoomeconomie volgt uit de vergelijking, het rendement uit een meting: zie het onderwerp rekenen met de mol. Image credit: Eigen animatie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

E-factor

• E-factor = massa afval / massa gewenst product.

• Afval is alles wat geen gewenst product is; een examenvraag zegt wat je meetelt.

• Hoe lager de E-factor, hoe groener het proces; bij een E-factor van 0 is er geen afval.

• Voorbeeld: 600 kg beginstoffen geeft 400 kg product, dus 200 kg afval: E = 200 / 400 = 0,5.

• De E-factor kijkt naar de praktijk, atoomeconomie alleen naar de vergelijking.

Syllabus T1.5 (E-factor). Controle voorbeeld: 600 − 400 = 200 kg afval, 200 / 400 = 0,5. Massa's in dezelfde eenheid. De E-factor omvat ook afval door nevenreacties, onvolledige omzetting en gebruikte hulpstoffen, mits de vraag die meetelt. Veelgemaakte fouten: delen door de massa beginstoffen in plaats van door het product, en denken dat een hogere E-factor beter is.

Geperste PET-flessen bij een recyclingbedrijf, San Jose (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 een product zo dat het na gebruik weer grondstof is, zonder afval.

• Een stofkringloop is de weg van een stof van gebruik via afval terug naar gebruik.

• Een elementkringloop volgt een element, zoals koolstof of fosfor, door natuur en techniek.

Syllabus T1.6 (cradle-to-cradle, elementkringloop, recycling, stofkringloop) en R&A3.1 (elementbehoud: atomen verdwijnen niet, ze gaan alleen naar andere stoffen). De foto toont een baal geperste PET-flessen die naar recycling gaat. Kijkvraag: waarom kan een element nooit 'op' zijn, terwijl een grondstof wel uitgeput kan raken? Het element blijft bestaan, maar komt in een vorm die niet meer te gebruiken is. Image credit: Grendelkhan / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Bij A + B → C is C het enige product. Wat is de atoomeconomie?

A

50%

B

100%

C

0%

D

200%

Syllabus T1.5. Alle massa van de beginstoffen zit in het product. Verwachte fout: 50%, omdat er twee beginstoffen zijn.

Vul in

Bij recycling wordt een gebruikt product grondstof voor een nieuw product. Cradle-to-cradle ontwerpt producten zo dat er geen afval is.

recycling

Cradle-to-cradle

recirculatie

stofstroom

Syllabus T1.6. Verwachte fout: recirculatie invullen, dat is terugvoeren binnen één proces.

Wat vond je het lastigst?

1

Een blokschema lezen

2

Batch of continu

3

Aspecten van groene chemie

4

Atoomeconomie en E-factor

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

Bedenk één maatregel die een fabriek groener maakt.

Bijvoorbeeld: onomgezette beginstof terugvoeren, warmte hergebruiken, hernieuwbare grondstof gebruiken, afvalwater zuiveren en hergebruiken, een katalysator inzetten. Fout: alleen 'minder uitstoot' zonder te zeggen hoe.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Begrippen (1/2)

• reactor: apparaat waarin de reactie plaatsvindt

• scheidingsinstallatie: apparaat dat product en rest van elkaar scheidt

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

• warmtewisselaar: draagt warmte over van een warme naar een koude stroom

• recirculatie: onomgezette beginstof terugvoeren naar de reactor

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Begrippen (2/2)

• batchproces: portie voor portie produceren

• continuproces: doorlopend produceren, steeds toevoer en afvoer

• groene chemie: processen ontwerpen met weinig afval en weinig schade

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

• E-factor: massa afval / massa gewenst product