E-DOT Groene Chemie

Formules Groene Chemie

Formules Groene Chemie

Inleiding

In de afgelopen tien tot twintig jaar vindt in de chemische industrie een nieuwe ontwikkeling plaats: de Groene Chemie. Men is doordrongen van het feit dat onze grondstoffen op kunnen raken en dat ook het milieu beschermd moet worden. Men probeert zodanig te werk te gaan dat er duurzamere producten worden ontwikkeld met behulp van duurzame technologieën. Men probeert om zo weinig mogelijk energie te gebruiken en zo zuinig mogelijk om te gaan met grondstoffen.

In deze module wordt uitgelegd hoe de formules van de Groene Chemie toegepast moeten worden.

Deze formules vind je ook in BINAS tabel 37H.

groene chemie

De formules

Atoomeconomie

Chemische fabrieken hebben belang bij het produceren van een goed en bruikbaar product. Zo’n productieproces kent vaak een aantal stappen en wordt dan een ‘synthese’ genoemd.

Elke ontwerper van een synthese wil de maximale hoeveelheid product maken vanuit een bepaalde uitgangsstof, dat wil zeggen dat er niet alleen gestreefd wordt om een zo hoog mogelijke opbrengst te hebben, maar ook om ervoor te zorgen dat zoveel mogelijk atomen van de beginstoffen in het eindproduct terecht komen. Het is mogelijk om uit te rekenen hoe succesvol zo’n synthese is door gebruik te maken van ‘atoomeconomie’.

Atoomeconomie wordt berekend vanuit de reactievergelijking en is gedefinieerd als:

formule atoomeconomie

Hierbij staat ‘M’ voor de massa van de stof(fen).

 

Voorbeeld

Door methanol met azijnzuur te laten reageren, ontstaat methylethanoaat (C3H6O2) en water.

voorbeeld atoomeconomie reactie

Bovenstaande massaverhouding is afgeleid uit de molaire massa’s van de reagerende stoffen en de molverhouding (die hier 1:1:1:1 is).

Uit dit voorbeeld blijkt dat uit 32,042 gram methanol en 60,053 gram azijnzuur maximaal 74,078 gram methylethanoaat en 18,015 gram water gevormd kan worden. De atoomeconomie voor de ester methylethanoaat is dus:

Bekijk ook de video uitleg over atoomeconomie en rendement.

 

Rendement

Atoomeconomie is een theoretisch begrip: bij een gegeven synthese is de atoomeconomie een vast percentage. Atoomeconomie kun je gebruiken wanneer je verschillende syntheses met elkaar wil vergelijken. In de praktijk spelen ook andere factoren mee, bijvoorbeeld niet alle reactanten zijn even zuiver. Daarom gebruiken chemici het begrip ‘rendement’. Rendement wordt omschreven als:

formule rendement

Theoretische en praktische opbrengst

Onder theoretische opbrengst verstaan we de massa die volgens een kloppende reactievergelijking zou ontstaan. Dit is dus een ideale situatie, wat in de praktijk bijna nooit voorkomt.

Onder praktische opbrengst verstaan we de massa van het product, zoals die bij een bepaalde synthese in een chemische fabriek gevormd wordt.

De praktische opbrengst is bijna altijd lager dan de theoretische opbrengst.

 

 

E-factor

Een nadeel van effectief atoomgebruik is dat het geen rekening houdt met de milieuproblematiek. Een reactie waarbij tonnen koolstofdioxide wordt geproduceerd is een grotere vervuiler dan een reactie waarbij alleen tonnen water geproduceerd worden. Het is daarom vaak belangrijker om de gebruikte atomen te onderzoeken. Door professor Roger Sheldon van de TU Delft is een nieuwe waarde ontwikkeld om van een synthese te bepalen hoe groen deze is: de E-factor.

De E-factor is de hoeveelheid afval per kg product en wordt berekend via de volgende formule:

 

Bijproducten

Onder een bijproduct verstaan we alle producten behalve het gewenste product. De E-factor is klein voor een synthese waarin weinig ongewenste bijproducten zijn. In de tabel op de volgende bladzijde zie je een overzicht van de belangrijkste chemische industrieën. Hierin is weergegeven hoe groot de productie is en de E-factor.

 

 

Video-uitleg

Atoomeconomie en rendement

Video-uitleg over atoomeconomie en rendement

E-factor

Video-uitleg over E-factor

Opgaven

Maak onderstaande vragen in je schrift

 

Om ammoniak te maken laat men stikstofgas met waterstofgas reageren:

 

N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)

 

  1. Bereken de atoomeconomie van de productie van ammoniak. Controleer je antwoord met de Excel rekentool. Ga hiervoor naar het tabblad 'Excel rekentool' en lees de bijbehorende uitleg.
  2. Laat met een berekening zien dat er maximaal 34 gram ammoniak kan ontstaan uit 28 gram stikstof en voldoende waterstof (dit is de theoretische opbrengst).
  3. Laat met een berekening zien dat bij een praktische opbrengst van 28 gram ammoniak uit 28 gram stikstof en voldoende waterstof neerkomt op een rendement van 82%. Bereken vervolgens de E-factor en controleer je antwoord met de Excel rekentool.

 

Maleïnezuuranhydride is een belangrijk tussenproduct in de fabricage van geneesmiddelen, pigmenten en geur- en kleurstoffen. DSM is een grote producent van deze stof. Maleïnezuuranhydride wordt gemaakt door benzeen (C6H6) te oxideren volgens onderstaande reactie:

 

2 C6H6 + 9 O2 → 2 C4H2O3 + 4 CO2 + 4 H2O

 

  1. Bereken de atoomeconomie van deze reactie. Controleer je antwoord met de Excel rekentool.
  2. Laat met een berekening zien dat een praktische opbrengst van 100 kg maleïnezuuranhydride uit 100 kg benzeen neerkomt op een rendement van 79,7%. Bereken vervolgens de E-factor en controleer je antwoord met de Excel rekentool.

 

Voor de productie van zuurstof op laboratoriumschaal wordt KClO3 ontleed:

 

2 KClO3(s) → 2 KCl(s) + 3 O2(g)

 

  1. Laat met een berekening zien dat er uit 40,0 g KClO3 maximaal 15,7 g zuurstof kan ontstaan (= de theoretische opbrengst).
  2. Bereken de E-factor bij een rendement voor O2 van 100%. Controleer je antwoord met de Excel rekentool. 
  3. Bereken de E-factor bij een rendement voor O2 van 67%. Controleer je antwoord met de Excel rekentool.

 

 

 

 

Op weg naar 'Groene staal'

Inleiding

Tata Steel

Tata Steel Europe is de Europese afdeling van Tata Steel, een Indiaas-Brits-Nederlandse multinational. Het heeft belangrijke productielocaties in Nederland, het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, België, Frankrijk en Noorwegen. Het hoofdkantoor staat in Londen. Bij Tata Steel Europe werken 41.200 mensen in meer dan veertig landen, waarvan 11.300 in Nederland.

 

Geschiedenis

De Koninklijke Nederlandse Hoogovens werden opgericht op 20 september 1918. Het werd gesitueerd in IJmuiden, vanwege de goede ligging aan zee en vervoersmogelijkheden via het Noordzeekanaal. Corus ontstond in oktober 1999 door een fusie tussen Koninklijke Hoogovens en British Steel. Het Indiase staalbedrijf Tata Steel nam Corus op 3 april 2007 over. Door deze overname is Tata-Corus op de wereldranglijst van staalproducenten gestegen van de achtste naar de vijfde plaats.

 

IJmuiden

Het terrein van Tata Steel IJmuiden is het grootste aaneengesloten bedrijfsterrein van Nederland en ligt in de gemeenten Heemskerk, Beverwijk en Velsen. Het bedrijf produceert vooral hoogwaardig en bekleed staal in de vorm van rollen (ook wel 'Band' genoemd). Het Hoogovensterrein telt vele fabrieken. Op het terrein, dat deels in Heemskerk ligt, deels in Beverwijk en Velsen, staan onder andere twee cokesfabrieken, een pellets- en sinterfabriek, twee hoogovens, een (oxi)staalfabriek, een warm- en twee koudbandwalserijen en diverse fabrieken waar het staal gecoat of geverfd wordt, zoals in de DVL (dompelverzinklijn). Daarnaast zijn er vier havens, waarvan twee een directe verbinding met de Noordzee vormen. Het bedrijf heeft een eigen spoorwegnet, dat is aangesloten op het Nederlandse nationale net, en beschikt over een brandweerkorps, een garage en een tankstation.

 

Bekijk hieronder de bedrijfsvideo

Promotiefilm Corus in IJmuiden - Tata Steel - 2007

Hoogovenproces

IJzer en ijzererts

De techniek om ijzer uit ijzererts te maken was al bekend in de Bronstijd. Wat is ijzererts eigenlijk? Om te beginnen is er niet één soort ijzererts maar meerdere, de belangrijkste zijn hematiet (Fe2O3), magnetiet (Fe3O4) en ijzer(II)oxide (FeO).

 

De pellet fabriek

Poedervormig ijzererts kan men in een hoogoven niet gebruiken omdat het tot verstopping leidt. Van het ijzererts maakt men daarom eerst pellets (kleine poreuze ronde balletjes) door bij hoge temperatuur (1400ºC) de ertsen aan elkaar te laten bakken tot een poreuze massa. De goede gasdoorlaatbaarheid van de pellets maakt in de hoogoven een snelle reactie mogelijk.

 

De cokesfabriek en het hoogovenproces

In de hoogoven worden ijzerertsen bij hoge temperatuur met cokes omgezet in ijzer. Cokes is ontgaste steenkool. De cokes wordt in een aparte fabriek gemaakt. Door de thermolyse van vermalen steenkool bij een temperatuur van 1200°C ontstaat cokes. Bij dit ontleden ontwijken de vluchtige componenten van de kool. Hierdoor ontstaat een poreuze structuur.

In de hoogoven wordt hete lucht van onderaf ingeblazen. Op de weg naar boven komt de hete lucht in contact met de cokes (of poederkool), waardoor in een chemische reactie CO wordt gevormd. Deze exotherme reactie maakt het gas nog veel heter. Onderin de hoogoven loopt de temperatuur hierdoor op tot boven de 2000ºC. Het CO reageert met de ijzerertspellets en er ontstaat vloeibaar ijzer, dat vervolgens afgetapt kan worden.

 

Opgaven

Maak onderstaande vragen in je schrift

 

Tijdens het hoogovenproces wordt ijzerertsen met koolstofmono-oxide omgezet in ijzer en koolstofdioxide volgens onderstaande reacties:

 

FeO(s) + CO(g) → Fe(l) + CO2(g)

Fe2O3(s) + 3 CO(g) → 2 Fe(l) + 3 CO2(g)

Fe3O4(s) + 4 CO(g) → 3 Fe(l) + 4 CO2(g)

 

  1. Bereken de atoomeconomie voor alle drie reacties en verklaar de verschillen. Controleer je antwoorden met behulp van de Excel rekentool.
  2. Bereken de theoretische opbrengst ijzer uit 160 ton Fe2O3. Controleer hier je antwoord.
  3. Wat is het rendement als er tijdens bovenstaand proces uit 160 ton ijzererts 90 ton ijzer ontstaat? Controleer hier je antwoord.

Cokesovengas is een gasmengsel dat in een cokesfabriek als bijproduct ontstaat uit steenkool. De verbrandingswarmte is gemiddeld zo'n 4000 tot 4500 kcal m3. Cokesovengas bestaat uit ongeveer 55 vol% waterstofgas, 30 vol% methaan, 8 vol% koolstofmonoxide, 4 vol% stikstofgas en 2 vol% koolstofdioxide.

  1. Ga door berekening na of dit klopt. Maak gebruik van tabel 56 en 57A (T=298K en p=po. Ga er vanuit dat het gevormde water vrijkomt als vloeistof. Controleer hier je antwoord.

HIsarna proces

Bekijk onderstaande figuur, open de bijbehorende presentatie en lees het artikel in Het Financieële Dagblad (pdf).

 

Vergelijk het HIsarna proces met de 'klassieke' ijzerproductie en beantwoord onderstaande vraag.

Is waterstof de oplossing?

Bekijk onderstaande video en lees het artikel over CO2-emission free ironmaking (pdf).

High-tech iron plant with zero emissions by hydrogen-based steel production

Schrijf een essay over dit onderwerp, waarin jij je persoonlijke visie geeft op de voor- en nadelen van de CO2 vrije staalproductie en de mogelijke problemen waar je tegen aan loopt bij het ontwikkeling van zo'n proces. 

De hersenkraker

Cement als bijproduct van de hoogovens?

Cement is een snel hardend bindmiddel gebruikt voor bouwwerken en bestaat uit fijngemalen materiaal dat na mengen met water een min of meer plastische massa vormt, die zowel onder water als in de buitenlucht verhardt en daartoe geschikte materialen aaneen kan kitten tot een ook in water stabiele massa. Het wordt voornamelijk gebruikt als grondstof voor beton en metselspecie. Cement is een zouthydraat. De Grieken waren de eerste bouwers die kalk maakten door het bakken van kalksteen. De Romeinen verbeterden dit bindmiddel door er vulkanische as en baksteenpoeder aan toe te voegen. Dankzij dit bindmiddel konden grote constructies worden gebouwd zoals arena's, baden, amfitheaters of aquaducten, waarvan sommige twintig eeuwen later nog perfect bewaard zijn gebleven.

                                                           Oude kalkoven

Soorten cement

De twee belangrijkste soorten cement die tegenwoordig worden toegepast zijn portlandcement en hoogovencement. Portlandcement is een product van het branden van kalksteen en klei in steenkoolovens. Hoogovencement is een type cement met een andere samenstelling dan portlandcement. Bij hoogovencement wordt een afvalproduct van de ijzerproductie (hoogovenslakken) gemengd. Een dergelijk cement bevat uiteraard geen ijzerverbindingen meer.

 

Samenstelling hoogovencement

Calciumoxide (zie tabel) is niet alleen de grootste, maar ook de belangrijkste component van het cement. Calciumoxide is het bindmiddel, dat er voor zorgt dat het cement stevig en hard wordt.

 

Stof

Massa%

CaO

40-60%

SiO2

20-40%

Al2O3

5-10%

MgO

0-10%

Fe2O3

0%

 

Calciumoxide kan worden gemaakt van kalksteen of van schelpen, die beide bestaan uit calciumcarbonaat. Kalksteen of schelpen worden in een kalkoven (zie afbeelding) bij een temperatuur tussen 900 en 1100 °C gebrand. Bij het branden wordt calciumcarbonaat (CaCO3) omgezet in calciumoxide (ongebluste kalk) en koolstofdioxide. Bij het metselen reageert het calciumoxide met water – dit is het ‘blussen’ van kalk – en ontstaat er calciumhydroxide (gebluste kalk). Het calciumhydroxide – het feitelijke bindmiddel – gaat vervolgens reageren met kooldioxide (CO2) uit de lucht tot calciumcarbonaat (kalksteen).

De hersenkraker!

En dan is het nu tijd voor…. de hersenkraker!

In een kalkoven wordt 1000 kg calciumcarbonaat gedurende enige tijd verhit bij ongeveer 1000 oC. Na afloop is er nog 670 kg vaste stof over.

 

  1. Geef de vergelijking voor de reactie, die optreedt in de kalkoven.
  2. Bereken de theoretische opbrengst uitgaande van 1000 kg calciumcarbonaat.
  3. Bereken de atoomeconomie van deze reactie.
  4. Bereken hoeveel kg van welke vaste stof of stoffen er na afloop aanwezig zijn in de overgebleven 670 kg.
  5. Bereken het rendement en de E-factor van dit proces.

 

Controleer je berekeningen met de Excel rekentool.

Wil je tips?

Klik hier voor tip 1.

Klik hier voor tip 2.

Klik hier voor tip 3.

Klik hier en vervolgens hier voor de laatste tips.

 

Excel rekentool

De Excel rekentool kun je gebruiken om je berekeningen te controleren of om een bepaald proces snel door te rekenen zonder dat je daarbij een rekenmachine nodig hebt. De tool bestaat uit drie werkbladen. De eerste is het blanco rekenwerkblad en het tweede werkblad bevat een voorbeeld berekening. Op de werkbladen staat een korte instructie hoe de tool gebruikt kan worden. De cellen met de formules zijn beveiligd en verborgen. Als je daar een uitdaging in ziet, kun je natuurlijk proberen op de derde werkblad de rekenkundige formules uit te vogelen en werkend te krijgen.

Download hieronder het Excel bestand: