HOOFDSTUK 14: GROOTSCHALIGE PRODUCTIE
H14.1: Chemische productie en milieu
Continuproces = een proces dat zonder onderbreking verloopt.
Bij bulkchemicaliën zoals kunststoffen.
Batchproces = een reactor wordt met de beginstoffen gevuld, vervolgens wordt de reactor op de
juiste temperatuur en druk gebracht en reageren de stoffen met elkaar.
Gebruik je in de fijnchemie bij een productie van kleine hoeveelheden, zoals medicijnen.
Voordeel: de reactor is voor verschillende producten bruikbaar.
Nadeel: de productie is omslachtig en kostbaar (duur).
In een blokschema staan stofstromen, reacties en scheidingen.
Ze worden gebruikt om processen zo efficiënt mogelijk te laten
verlopen en te optimaliseren.
Een aantal strategieën om een syntheseroute te verbeteren.
Groene chemie draagt bij aan duurzame ontwikkeling.
In de groene chemie wordt gezocht naar processen die minder belastend zijn voor het milieu.
In Binas 97F staan de 12 principes van groene chemie.
De groene chemie probeert zo zuinig
mogelijk om te gaan met grondstoffen
(principe 2, 7, 8, 9, 11), energie (principe 6,
9) en milieu (principe 1, 3, 8, 10, 11).
Een veilige syntheseroute (principe 4, 5,
12) die hieraan voldoet is duurzaam.
Het ‘cradle to cradle’ principe = het vermijden van afval en het
hergebruik van grondstoffen.
Alle afval wordt gebruikt in nieuwe producten. Hierbij mag geen
kwaliteitsverlies optreden en alle restproducten moeten hergebruikt
worden. Dan is de stofkringloop gesloten.
Bij cradle to cradle circuleert een stof in een technische of biologische
kringloop.
H14.2: Duurzamere syntheses
De atoomeconomie, het rendement en de E-factor geven aan hoe efficiënt en duurzaam een
productie is.
,Bij scheiden is het de bedoeling om elke component uit het mengsel zo zuiver mogelijk in handen te
krijgen. Her rendement geeft aan in hoeverre dat gelukt is.
Het rendement van een zuivering = het percentage van de opbrengst die theoretisch mogelijk is.
Bij synthese is met het rendement aan te geven hoe efficiënt de productie is.
Het rendement bij synthese = het percentage van de opbrengst die theoretisch mogelijk is.
Bij een evenwichtsreactie is het onmogelijk om een rendement van 100% te halen. Er is namelijk
geen volledige omzetting van de beginstoffen.
De atoomeconomie = een maat om te bepalen in hoeverre de atomen uit de beginstoffen in de
moleculen van het gewenste reactieproduct komen.
Een hoge atoomeconomie betekent dat veel atomen van de beginstoffen in de moleculen van de
eindproducten terechtkomen. Dan gebruik je de grondstoffen zo efficiënt mogelijk.
Een lage atoomeconomie betekent dat er veel massa aan bijproducten en afval ontstaat.
Dmv gebruik van een geschikte katalysator kan je een hoge atoomeconomie krijgen. Door de
selectiviteit van de katalysator ontstaan geen of weinig ongewenste bijproducten.
De E-factor (environmental factor) = het aantal kg afval dat per kg product ontstaat. Het is een maat
om te bepalen hoe duurzaam een synthese is.
De E-factor is laag bij een reactie met weinig bijproducten en een hoog rendement.
Hoe groter de E-factor, hoe meer afval er ontstaan is.
,Bij het kiezen van de beste productiemethode moet je rekening houden met de atoomeconomie, het
rendement en de E-factor, maar ook met andere principes van de groene chemie. En onvermijdelijk
spelen voor een bedrijf ook altijd economische factoren een belangrijke rol.
H14.3: Hernieuwbare grondstoffen
Katalytisch reformen = een proces waarbij uit stoffen uit aardolie onder andere aromaten ontstaan.
Bij katalytisch reformen worden alkanen of cycloalkanen omgezet in aromaten en waterstof.
Door katalytisch reformen is het bv mogelijk om methylbenzeen te maken uit heptaan:
Biobrandstoffen zijn een duurzaam alternatief voor fossiele brandstoffen, omdat ze deel uitmaken
van de korte koolstofkringloop; ze zijn CO2-neutraal, waardoor het broeikaseffect niet versterkt
wordt.
Biodiesel (vorm van biobrandstof) ontstaat als methanol reageert met plantaardige olie. Om
biodiesel te maken is dus methanol nodig als grondstof.
Methanol wordt bereid uit synthesegas: dat is een mengsel van koolstofmonooxide en waterstof.
CO (g) + 2 H2 (g) CH3OH (g)
Hoewel de vorming van methanol exotherm is, wordt de reactie toch bij een hoge temperatuur
uitgevoerd. Hierdoor verschuift het evenwicht wel naar de ongunstige linker kant, maar dat wordt
meer dan gecompenseerd door de hogere reactiesnelheid.
Een hoge druk vergroot de opbrengst van methanol. Door de hoge druk verschuift het evenwicht
naar de kant met de minste deeltjes, dus naar rechts.
De bijproducten worden opnieuw
gebruikt; dit voorkomt afval (principe 1).
Het gebruik van warmtewisselaars
bespaart energie (principe 6).
Door het gebruik van katalysatoren
(principe 9) vinden de reacties bij een
lagere temperatuur plaats.
Welke scheidingsmethode geschikt is, hangt samen met de vraag of het mengsel homogeen of
heterogeen is.
o Bij een homogeen mengsel hebben alle stoffen dezelfde fase.
o Bij een heterogeen mengsel hebben alle stoffen niet dezelfde fase.
, Plantaardige oliën zoals zonnebloemolie zijn niet als autobrandstof te gebruiken.
Zonnebloemolie heeft een te hoge viscositeit en een lage ontbrandingstemperatuur.
Ontbrandingstemperatuur = de minimale temperatuur waarbij een brandstof ontbrandt.
De zonnebloemolie ontbrandt pas bij 300 C, dat is te hoog om als autobrandstof te gebruiken.
Oliën en vetten (Binas 67G1) zijn triglyceriden.
Triglyceriden zijn esters, opgebouwd uit glycerol, propaan-1,2,3-triol en vetzuren.
Met behulp van methanol is van zonnebloemolie biodiesel te maken met een veel lagere viscositeit.
Er treedt een omestering op:
Door omestering met methanol kunnen plantaardige en dierlijke oliën en vetten worden omgezet in
glycerol en methylesters van vetzuren. De methylesters zijn geschikt voor gebruik als biodiesel.
Vetzuren (Binas 67G2) = carbonzuren met een lange koolstofketen.
De structuurformules (in binas) kun je afkorten met de algemene formule R-COOH.
R staat voor de lange koolstofketen; in stearinezuur is R C17H35.
Glycerol behoort niet tot zeer gevaarlijke chemicaliën, maar kan onder bepaalde omstandigheden
brandbaar en explosief zijn. Een aantal eigenschappen staan in de veiligheidskaart:
Milieueffectrapportage (MER) is gebaseerd op een analyse van het milieueffect van een
productieproces; welke gevaren en risico’s het met zich meebrengt.
Voorbeelden van milieueffecten van een productie:
- Transport; kan gevaren en overlast opleveren op de weg.
- Uitstoot; fabriek kan stoffen uitstoten via schoorsteen of lozing van afvalwater.
- Gebruik van (koel)water; warm water wordt geloosd, waardoor het oppervlaktewater
opwarmt. Heeft negatieve gevolgen voor visstand en plantengroei.
- Risico bij calamiteiten; brandveiligheid, lekkage waardoor stoffen kunnen ontsnappen.
- Warmte/krachtkoppeling; bij verbranding en exotherme reacties ontstaat warmte die
gebruikt kan worden om machines aan te drijven.
H14.1: Chemische productie en milieu
Continuproces = een proces dat zonder onderbreking verloopt.
Bij bulkchemicaliën zoals kunststoffen.
Batchproces = een reactor wordt met de beginstoffen gevuld, vervolgens wordt de reactor op de
juiste temperatuur en druk gebracht en reageren de stoffen met elkaar.
Gebruik je in de fijnchemie bij een productie van kleine hoeveelheden, zoals medicijnen.
Voordeel: de reactor is voor verschillende producten bruikbaar.
Nadeel: de productie is omslachtig en kostbaar (duur).
In een blokschema staan stofstromen, reacties en scheidingen.
Ze worden gebruikt om processen zo efficiënt mogelijk te laten
verlopen en te optimaliseren.
Een aantal strategieën om een syntheseroute te verbeteren.
Groene chemie draagt bij aan duurzame ontwikkeling.
In de groene chemie wordt gezocht naar processen die minder belastend zijn voor het milieu.
In Binas 97F staan de 12 principes van groene chemie.
De groene chemie probeert zo zuinig
mogelijk om te gaan met grondstoffen
(principe 2, 7, 8, 9, 11), energie (principe 6,
9) en milieu (principe 1, 3, 8, 10, 11).
Een veilige syntheseroute (principe 4, 5,
12) die hieraan voldoet is duurzaam.
Het ‘cradle to cradle’ principe = het vermijden van afval en het
hergebruik van grondstoffen.
Alle afval wordt gebruikt in nieuwe producten. Hierbij mag geen
kwaliteitsverlies optreden en alle restproducten moeten hergebruikt
worden. Dan is de stofkringloop gesloten.
Bij cradle to cradle circuleert een stof in een technische of biologische
kringloop.
H14.2: Duurzamere syntheses
De atoomeconomie, het rendement en de E-factor geven aan hoe efficiënt en duurzaam een
productie is.
,Bij scheiden is het de bedoeling om elke component uit het mengsel zo zuiver mogelijk in handen te
krijgen. Her rendement geeft aan in hoeverre dat gelukt is.
Het rendement van een zuivering = het percentage van de opbrengst die theoretisch mogelijk is.
Bij synthese is met het rendement aan te geven hoe efficiënt de productie is.
Het rendement bij synthese = het percentage van de opbrengst die theoretisch mogelijk is.
Bij een evenwichtsreactie is het onmogelijk om een rendement van 100% te halen. Er is namelijk
geen volledige omzetting van de beginstoffen.
De atoomeconomie = een maat om te bepalen in hoeverre de atomen uit de beginstoffen in de
moleculen van het gewenste reactieproduct komen.
Een hoge atoomeconomie betekent dat veel atomen van de beginstoffen in de moleculen van de
eindproducten terechtkomen. Dan gebruik je de grondstoffen zo efficiënt mogelijk.
Een lage atoomeconomie betekent dat er veel massa aan bijproducten en afval ontstaat.
Dmv gebruik van een geschikte katalysator kan je een hoge atoomeconomie krijgen. Door de
selectiviteit van de katalysator ontstaan geen of weinig ongewenste bijproducten.
De E-factor (environmental factor) = het aantal kg afval dat per kg product ontstaat. Het is een maat
om te bepalen hoe duurzaam een synthese is.
De E-factor is laag bij een reactie met weinig bijproducten en een hoog rendement.
Hoe groter de E-factor, hoe meer afval er ontstaan is.
,Bij het kiezen van de beste productiemethode moet je rekening houden met de atoomeconomie, het
rendement en de E-factor, maar ook met andere principes van de groene chemie. En onvermijdelijk
spelen voor een bedrijf ook altijd economische factoren een belangrijke rol.
H14.3: Hernieuwbare grondstoffen
Katalytisch reformen = een proces waarbij uit stoffen uit aardolie onder andere aromaten ontstaan.
Bij katalytisch reformen worden alkanen of cycloalkanen omgezet in aromaten en waterstof.
Door katalytisch reformen is het bv mogelijk om methylbenzeen te maken uit heptaan:
Biobrandstoffen zijn een duurzaam alternatief voor fossiele brandstoffen, omdat ze deel uitmaken
van de korte koolstofkringloop; ze zijn CO2-neutraal, waardoor het broeikaseffect niet versterkt
wordt.
Biodiesel (vorm van biobrandstof) ontstaat als methanol reageert met plantaardige olie. Om
biodiesel te maken is dus methanol nodig als grondstof.
Methanol wordt bereid uit synthesegas: dat is een mengsel van koolstofmonooxide en waterstof.
CO (g) + 2 H2 (g) CH3OH (g)
Hoewel de vorming van methanol exotherm is, wordt de reactie toch bij een hoge temperatuur
uitgevoerd. Hierdoor verschuift het evenwicht wel naar de ongunstige linker kant, maar dat wordt
meer dan gecompenseerd door de hogere reactiesnelheid.
Een hoge druk vergroot de opbrengst van methanol. Door de hoge druk verschuift het evenwicht
naar de kant met de minste deeltjes, dus naar rechts.
De bijproducten worden opnieuw
gebruikt; dit voorkomt afval (principe 1).
Het gebruik van warmtewisselaars
bespaart energie (principe 6).
Door het gebruik van katalysatoren
(principe 9) vinden de reacties bij een
lagere temperatuur plaats.
Welke scheidingsmethode geschikt is, hangt samen met de vraag of het mengsel homogeen of
heterogeen is.
o Bij een homogeen mengsel hebben alle stoffen dezelfde fase.
o Bij een heterogeen mengsel hebben alle stoffen niet dezelfde fase.
, Plantaardige oliën zoals zonnebloemolie zijn niet als autobrandstof te gebruiken.
Zonnebloemolie heeft een te hoge viscositeit en een lage ontbrandingstemperatuur.
Ontbrandingstemperatuur = de minimale temperatuur waarbij een brandstof ontbrandt.
De zonnebloemolie ontbrandt pas bij 300 C, dat is te hoog om als autobrandstof te gebruiken.
Oliën en vetten (Binas 67G1) zijn triglyceriden.
Triglyceriden zijn esters, opgebouwd uit glycerol, propaan-1,2,3-triol en vetzuren.
Met behulp van methanol is van zonnebloemolie biodiesel te maken met een veel lagere viscositeit.
Er treedt een omestering op:
Door omestering met methanol kunnen plantaardige en dierlijke oliën en vetten worden omgezet in
glycerol en methylesters van vetzuren. De methylesters zijn geschikt voor gebruik als biodiesel.
Vetzuren (Binas 67G2) = carbonzuren met een lange koolstofketen.
De structuurformules (in binas) kun je afkorten met de algemene formule R-COOH.
R staat voor de lange koolstofketen; in stearinezuur is R C17H35.
Glycerol behoort niet tot zeer gevaarlijke chemicaliën, maar kan onder bepaalde omstandigheden
brandbaar en explosief zijn. Een aantal eigenschappen staan in de veiligheidskaart:
Milieueffectrapportage (MER) is gebaseerd op een analyse van het milieueffect van een
productieproces; welke gevaren en risico’s het met zich meebrengt.
Voorbeelden van milieueffecten van een productie:
- Transport; kan gevaren en overlast opleveren op de weg.
- Uitstoot; fabriek kan stoffen uitstoten via schoorsteen of lozing van afvalwater.
- Gebruik van (koel)water; warm water wordt geloosd, waardoor het oppervlaktewater
opwarmt. Heeft negatieve gevolgen voor visstand en plantengroei.
- Risico bij calamiteiten; brandveiligheid, lekkage waardoor stoffen kunnen ontsnappen.
- Warmte/krachtkoppeling; bij verbranding en exotherme reacties ontstaat warmte die
gebruikt kan worden om machines aan te drijven.
