Klik op het schilderij in onderstaand plaatje om de inleiding op de ammoniak productieruimte te zien.
Ammoniak: Benodigde Voorkennis en Leerdoelen
Voor je aan deze ruimte begint
weet je:
wat een blokschema is en hoe die werkt
wat reactiesnelheid is
hoe een chemisch evenwicht werkt
hoe je reactiesnelheid en evenwicht kunt beïnvloeden
kun je:
chemisch rekenen
de evenwichtsvoorwaarde opstellen
met de evenwichtsvoorwaarde rekenen
is het handig om te weten:
welke factoren de ligging van een evenwicht beïnvloeden
Wat ga je in deze ruimte leren?
verdieping van je kennis over chemische evenwichten
hoe je een proces kunt optimaliseren
het gebruiken van blokschema's
3.1 Het productieproces
Om te weten wat je in deze ruimte te wachten staat, ga je eerst onderstaand filmfragment bekijken en wat herhalingsoefeningen maken over evenwichtsreacties. Om het productieproces te kunnen optimaliseren moet je namelijk weten hoe je het proces kunt beïnvloeden. We gaan dus kort herhalen hoe je reactiesnelheden en evenwichten kunt beïnvloeden.
Bekijk het videofragment hieronder en maak van het productieproces dat beschreven wordt een korte samenvatting waarin je vooral ingaat op de reacties, de omstandigheden, de stoffen en de benodigde apparatuur. Schrijf deze samenvatting in je labjournaal.
3.2 Evenwichten
In het videofragment kwam dit schema voor:
We concentreren ons op het onderste deel, dus de productie van NH3 uit N2 en H2. Onder druk worden N2 en H2 de reactor (converter) ingepompt. In de reactor vindt onder invloed van een katalysator de omzetting naar NH3 plaats. Deze reactie is een evenwichtsreactie. Het ontstane evenwichtsmengsel wordt naar een scheidingsruimte (cooler) overgepompt waar het wordt afgekoeld. De uitgangsstoffen H2 en N2 worden hier gescheiden van het product NH3 en gerecirculeerd (teruggepompt naar de aanvoer van de uitgangsstoffen die de reactor ingaan). Het product wordt de koeler uitgepompt en opgeslagen (ammonia storage). Dit proces kan weergegeven worden in een blokschema.
Teken dit blokschema in je labjournaal, zorg dat je alle stoffen met toestandsaanduiding vermeldt in de stofstromen. Laat het resultaat controleren.
Noteer ook de vergelijking van het evenwicht en beantwoord dan de volgende twee korte vragen.
Vergelijk het blokschema dat je van de ammoniakproductie hebt gemaakt met het overeenkomstige deel in je samenvatting van het filmfragment. In beiden wordt een deel van het totale productieproces van ammoniak weergegeven. Noteer het volgende in je labjournaal:
- Noem een voordeel van het gebruik van een samenvatting ten opzichte van het gebruik van een blokschema.
- Noem een voordeel van het gebruik van een blokschema t.o.v. het gebruik van een samenvatting.
- Leg uit welke van de twee vormen (samenvatting of blokschema) voor jou de voorkeur heeft.
3.3 Beïnvloeden reactiesnelheid en evenwicht
Bij een aflopende reactie kan het rendement 100% zijn. Uitgangsstoffen zijn dan volledig omgezet in product. Omdat een chemisch evenwicht wordt gekenmerkt door de (blijvende) aanwezigheid van de uitgangsstoffen kan het rendement nooit 100% zijn. Het rendement van een evenwichtsreactie is afhankelijk van een aantal factoren. De factoren die invloed hebben op de ligging van het evenwicht kunnen aangepast worden om het rendement te verhogen. Denk eerst nog even terug aan het beïnvloeden van de reactiesnelheid.
Weet je nog? Factoren die invloed hebben op de snelheid van een reactie zijn: soort stof, concentratie, druk, verdelingsgraad, temperatuur en aanwezigheid katalysator.
Een verhoging van de reactiesnelheid betekent echter nog niet dat het rendement van een evenwichtsreactie hoger is. Zowel de heengaande reactie (naar rechts) als de teruggaande reactie (naar links) zullen immers beiden versneld worden. Verhoging van het rendement moet gebeuren door verschuiving van het evenwicht naar rechts. Dat betekent het verhogen van de concentraties van de producten ten opzichte van de concentraties van de uitgangsstoffen.
In onderstaande tabel staan factoren die invloed hebben op de snelheid van een reactie. Deze tabel staat ook in je labjournaal. Vul deze tabel aan volgens de instructies onder de tabel. Ga uit van een standaard situatie waarin er een evenwicht is. Geef vervolgens aan wat er anders is als je de factoren verandert zoals aangegeven. Laat de tabel in je labjournaal controleren als je deze hebt ingevuld. Om je eventueel op weg te helpen kun je hier gebruik maken van een applet.
K: Verandert K, ja of nee?
Reactiesnelheden: Wordt alleen de heenreactie sneller of ook de terugreactie? En als ze beiden sneller worden, worden ze dan beiden evenveel sneller?
Insteltijd evenwicht: Is de insteltijd van het evenwicht korter, langer of blijft deze gelijk?
Ligging evenwicht: Verschuift de ligging van het evenwicht wel of niet? En als het verschuift, naar welke kant dan? Naar links of rechts; naar de endotherme of de exotherme kant; naar de kant met de meeste deeltjes of die met het minste aantal deeltjes?
Om het rendement en dus de opbrengst van een productieproces zo hoog mogelijk te maken worden de factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden zodanig gekozen dat de meest optimale reactieomstandigheden verkregen worden. Een andere manier om het rendement en dus de opbrengst van een productieproces te verhogen, is het aflopend maken van de evenwichtsreactie door het wegnemen van één of meerdere van de producten. Door het verwijderen van product uit het evenwichtsmengsel kan de teruggaande reactie niet meer verlopen en is er geen evenwicht meer. Niet gereageerde uitgangsstoffen kunnen vervolgens weer hergebruikt worden.
Het hergebruik van de uitgangsstoffen betekent een hoger rendement van mijn reactie en dat is mooi.
Het hergebruik van de uitgangsstoffen betekent dat er minder van ingekocht hoeft te worden. Dat scheelt dus kosten en dat verhoogt dus mijn, eh, onze opbrengst. En dat is mooi.
Het hergebruik van de uitgangsstoffen betekent dat er minder afval is. Dat scheelt kosten voor de afvoer en is beter voor het milieu, dus schonere chemie. En dat is mooi.
3.4 Optimaliseren productieproces
Dat gedoe met die evenwichten moet nu maar eens klaar zijn. Het is tijd om echt aan de slag te gaan. Gebruik je kennis van de factoren die de ligging van een evenwicht beïnvloeden nu maar eens om geld te verdienen voor ons. In stapjes ga je het productieproces optimaliseren waarbij je steeds een zo hoog mogelijke opbrengst probeert te verkrijgen. Daarbij zul je ook de praktische uitvoerbaarheid en het kostenplaatje in de gaten moeten houden. En nu aan de slag. Aan de knoppen en geld verdienen.
Invloed van de temperatuur. Door de temperatuur te veranderen, verandert de waarde van K, dus ook de ligging van het evenwicht en dus ook de opbrengst aan ammoniak. Je gaat met onderstaande applet nu eerst kijken hoe je de opbrengst kunt verbeteren door de temperatuur te variëren.
De toevoer van stikstof en waterstof vindt plaats bij een druk van 100 bar en is in de verhouding 1 : 3. Varieer de temperatuur en noteer de resultaten (insteltijd en omzetting) in de voorgedrukte tabel in je labjournaal. Bereken daarna de samenstelling van de verkregen gasmengsels en de waarden voor K.
Invloed van de druk. De insteltijd van een evenwicht kan verkort worden door de concentraties van de reactanten te verhogen. Omdat het hier om gassen gaat kan dit bereikt worden door de druk te verhogen. Je gaat nu met onderstaande applet kijken hoe je de insteltijd kunt verbeteren door de druk te variëren. De toevoer van stikstof en waterstof vindt plaats bij constante temperatuur van 300 °C en is steeds in de verhouding 1 : 3. Varieer de druk en noteer de resultaten (insteltijd en omzetting) in de voorgedrukte tabel in je labjournaal. Bereken daarna de samenstelling van de verkregen gasmengsels en de waarden voor K
Zoals je zag wordt de insteltijd van het evenwicht verkort als je de druk verhoogt. De druk kan echter niet onbeperkt verhoogd worden vanwege de veiligheid en de kosten die er mee verbonden zijn. Verder kon je zien dat het verhogen van de druk geen invloed had op de hoogte van de opbrengst.
Invloed van de temperatuur en druk. Je gaat nu beide variabelen combineren. De toevoer van stikstof en waterstof is constant in de verhouding 1 : 3. Varieer de druk en temperatuur en noteer de resultaten in de voorgedrukte tabel in je labjournaal. Omdat de winst niet alleen wordt bepaald door de hoeveelheid geproduceerde stof, maar omdat ook de gemaakte kosten voor het produceren van belang zijn, wordt er gekeken naar meerdere factoren. Hierbij kun je denken aan de kosten van het energieverbruik, materialen en apparatuur. Deze worden allemaal meegenomen in het bepalen van de meest optimale omstandigheden. Het resultaat wordt weergegeven met de zogenaamde euro-factor (€f). Zorg voor een maximale €f
Bij industriële processen heeft de tijdsduur van een proces, invloed op de prijs van het product en dus eventueel op de winst. Als de beginstof reageert zal de concentratie ervan afnemen en dan zal de reactiesnelheid afnemen. Vaak is het economisch gunstiger om een reactie niet volledig te laten verlopen of om niet te wachten totdat een evenwicht volledig is ingesteld. Niet-gereageerde stoffen kunnen vervolgens van producten gescheiden worden en hergebruikt. Door dit recirculeren kan ook bij evenwichtsreacties een hoog rendement worden verkregen.
3.5 De productie
Zo! Genoeg met de knoppen gespeeld. Je weet nu onder welke omstandigheden het ammoniak geproduceerd moet gaan worden. Laten we het blokschema er bij nemen en denk en reken dan weer even mee (geef het antwoord steeds in 2 cijfers en let op de eenheid).
In de scheidingsruimte wordt door koeling het gevormde ammoniak afgescheiden. Eerst wordt de processtroom gekoeld met de reactorvoeding, daarna met water en tenslotte met vloeibare ammoniak (-33 °C). Het recirculatiegas bevat dan nog wel een beetje ammoniakgas maar dat verwaarlozen we. Teken in je labjournaal het blokschema waarin dit scheidingsproces is weergegeven. Ga uit van het blokschema dat er al van het productieproces is en voeg de drie koelingsstappen hieraan toe. Geef daarnaast ook voor elke koelingsstap aan waarom dit zo gedaan wordt. Denk hierbij aan zaken die ons geld besparen zoals lager energieverbruik, hergebruik elders in de fabriek, beschikbaarheid enz. Doe dit samen met een medeleerling en bespreek jullie bevindingen met je docent of met de PAL.
Mooi. In ploegendienst is dit goed te doen. Produceren maar.
3.6 Reflectie
Kijk nog eens naar de doelstellingen van deze ruimte zoals je ze tegenkwam bij de introductie. Maak een lijstje van de doelstellingen in je labjournaal en geef per doelstelling aan of je vindt dat je in deze ruimte aan dat doel hebt voldaan. Leg per onderdeel kort uit waarom je vindt dat je er wel of niet aan hebt voldaan. Geef voor de doelstellingen, waarvan je vindt dat je ze niet hebt gehaald, aan hoe je deze wel zou denken te halen.
Klik nu op het roze varkentje in het plaatje hieronder om te reflecteren op je werk in deze ruimte.
Het arrangement 4 H3 Ammoniak productieruimte is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Bètapartners
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2015-05-08 10:06:20
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Dit materiaal is achtereenvolgens ontwikkeld en getest in een SURF-project (2008-2011: e-klassen als voertuig voor aansluiting VO-HO) en een IIO-project (2011-2015: e-klassen&PAL-student). In het SURF project zijn in samenwerking met vakdocenten van VO-scholen, universiteiten en hogescholen e-modules ontwikkeld voor Informatica, Wiskunde D en NLT. In het IIO-project (Innovatie Impuls Onderwijs) zijn in zo’n samenwerking modules ontwikkeld voor de vakken Biologie, Natuurkunde en Scheikunde (bovenbouw havo/vwo). Meer dan 40 scholen waren bij deze ontwikkeling betrokken.
Organisatie en begeleiding van uitvoering en ontwikkeling is gecoördineerd vanuit Bètapartners/Its Academy, een samenwerkingsverband tussen scholen en vervolgopleidingen. Zie ook www.itsacademy.nl
De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, en andere gegevens is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de programmamanager van de Its Academy (zie website).
Gebruiksvoorwaarden: creative commons cc-by sa 3.0
Handleidingen, toetsen en achtergrondmateriaal zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten.
Aanvullende informatie over dit lesmateriaal
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Deze les maakt onderdeel uit van de e-klas 'De virtuele fabriek' voor VWO 6 voor het vak scheikunde.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
Oefeningen en toetsen
Waar of niet waar
Vragen
Vul in
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Oefeningen en toetsen van dit arrangement kun je ook downloaden als QTI. Dit bestaat uit een ZIP bestand dat
alle
informatie bevat over de specifieke oefening of toets; volgorde van de vragen, afbeeldingen, te behalen
punten,
etc. Omgevingen met een QTI player kunnen QTI afspelen.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
Klik op het schilderij in onderstaand plaatje om de inleiding op de ammoniak productieruimte te zien.
Voor je aan deze ruimte begint
de stoffen en de benodigde apparatuur. Schrijf deze samenvatting in je labjournaal.
Teken dit blokschema in je labjournaal, zorg dat je alle stoffen met toestandsaanduiding vermeldt in de 
Vergelijk het blokschema dat je van de ammoniakproductie hebt gemaakt met het overeenkomstige deel in je samenvatting van het filmfragment. In beiden wordt een deel van het totale productieproces van ammoniak 
- Noem een voordeel van het gebruik van een samenvatting ten opzichte van het gebruik van een blokschema.
Weet je nog? Factoren die invloed hebben op de snelheid van een reactie zijn: 
Om het rendement en dus de opbrengst van een productieproces zo hoog mogelijk te maken worden de factoren die de ligging van het evenwicht beïnvloeden zodanig gekozen dat de meest optimale reactieomstandigheden verkregen worden.
Het hergebruik van de uitgangsstoffen betekent een hoger rendement van mijn reactie en dat is mooi.
Het hergebruik van de uitgangsstoffen betekent dat er minder van ingekocht hoeft te worden. Dat scheelt dus kosten en dat verhoogt dus mijn, eh, onze opbrengst. En dat is mooi.
Klik nu op het roze varkentje in het plaatje hieronder om te reflecteren op je werk in deze ruimte.
