Klik op de vulkaan om de inleiding op de Zwavelzuur Productieruimte te bekijken.
Voor je aan deze ruimte begint...
weet je:
hoe je stoffen systematisch benoemt
hoe je reactievergelijkingen kloppend maakt
kun je:
nog steeds rekenen
blokschema's maken
is het handig om te weten:
wat alchemie is
Wat ga je in deze ruimte leren?
wat het verschil is tussen batch- en continu-processen
welke voor- en nadelen beide typen processen hebben
5.1 Introductie
Je gaat hier aan de slag met de productie van een zuur, zwavelzuur. Aan de hand van de productie van zwavelzuur door de eeuwen heen gaan we hier eens goed kijken naar de voor en nadelen van verschillende manieren van stoffen produceren: in porties (batchprocessen) of aan de lopende band (continuprocessen).
Een batchproces is een proces waarbij steeds een afgepaste hoeveelheid (portie, partij, Engels = batch) van iets wordt gebruikt of gemaakt. In het dagelijks leven kom je hier allerlei voorbeelden van tegen. Noteer tien voorbeelden van batchprocessen in je labjournaal.
Op eenzelfde manier kun je voorbeelden bedenken van zaken die continu plaatsvinden of situaties waarbij geen op voorhand afgepaste hoeveelheden worden gebruikt of gemaakt. Schrijf ook tien van deze voorbeelden in je labjournaal.
Kijk naar de tien voorbeelden van batchprocessen die je hebt genoteerd en bedenk vijf overeenkomstige eigenschappen. Bijvoorbeeld ‘afgepaste hoeveelheid’. Doe hetzelfde voor de voorbeelden van continuprocessen en noteer dit allemaal in je labjournaal.
Probeer de eigenschappen die je voor beide type processen hebt gevonden nu zo te formuleren, zodat ze betrekking hebben op chemische productieprocessen. Noteer weer in je labjournaal.
Bespreek je twee lijsten met drie andere leerlingen en noteer de overeenkomsten in je labjournaal.
Bespreek jullie uiteindelijke gezamenlijke lijst met de PAL.
Als het goed is heb je nu een idee gekregen van de uiteenlopende eigenschappen van batch- en continu-processen en wat de verschillen tussen de beide soorten processen zijn. Het is nu tijd om te kijken wat voor ons de handigste manier is om zwavelzuur te bereiden.
De ‘sterkte’ van de zure oplossing kon op verschillende manieren worden geregeld. Vermeld in je labjournaal twee manieren waarop de zure oplossing sterker gemaakt kon worden. Let hierbij goed op het verschil tussen een sterk zuur en een sterke zure oplossing.
Leg in je labjournaal uit of deze bereiding van zwavelzuur een continuproces of een batchproces was.
5.3 Het lodenkamerproces
Het lodenkamerproces deel 1
De concentratie van het zwavelzuur die met het recept van de alchemisten werd verkregen is voor de meeste huidige toepassingen niet hoog genoeg. Een manier om geconcentreerder zwavelzuur te produceren werd tijdens de industriële revolutie in de 18e eeuw door John Roebuck ontwikkeld. Dit proces was met name qua uitvoering veel goedkoper en er konden grotere hoeveelheden worden geproduceerd. De reacties vonden plaats in kamers die opgebouwd waren uit loden platen. In die tijd was dit het enige goedkope materiaal dat bestand was tegen zwavelzuur.
In zo'n lodenkamer werd een schotel geplaatst met daarop zwavel en een beetje salpeter. Dit mengsel werd aangestoken. Gevormde gassen werden vervolgens opgevangen door water op de bodem van de kamer. Dit proces werd enkele keren herhaald, waarna een zure vloeistof uit het bassin kon worden verwijderd. Het zo verkregen zwavelzuur had een concentratie van ongeveer 35 tot 45 %. Dit kon nog verhoogd worden door het mengsel te koken.
Het roosten vond plaats in een roostoven waarna de gevormde gassen naar de lodenkamer werden geleid. Het hiervoor aangepaste blokschema ziet er dan zo uit:
Op deze manier konden er vrij eenvoudig verschillende zwavelhoudende grondstoffen gebruikt worden zoals bijvoorbeeld zinkblende in plaats van pyriet.
In plaats van salpeter kon er ook gebruik worden gemaakt van bijvoorbeeld salpeterzuur.
5.4 Het lodenkamerproces verder
Het Lodenkamerproces deel 3
Zoals al eerder vermeld is, zijn de stikstofoxiden gasvormig en deze konden uit de lodenkamer ontsnappen. Rond 1837 werd het proces door Gay-Lussac verbeterd. Hij ontwikkelde een toren die deze stikstofgassen kon opvangen en terugleidden. Dit zorgde voor een lager gebruik van salpeter wat leidde tot een goedkopere productie. Dit werd gedaan door de gassen uit de lodenkamer van onder naar boven door de Gay-Lussac-toren te leiden. De zwavelzuuroplossing uit de lodenkamer werd in tegenstroom door de toren geleid. Het stikstofdioxide loste hier in op en de ontstane oplossing werd de lodenkamer ingeleid. Overgebleven stikstof en een kleine hoeveelheid stikstofdioxide ontweken via de schoorsteen. In een blokschema ziet dat er als volgt uit:
In de lodenkamer was een overmaat aan water nodig om te voorkomen dat er zogenaamde lodenkamerkristallen (NOHSO4) werden gevormd.
Het verkregen zwavelzuur had daarom een maximale concentratie van rond de 40 %.
De ontwikkeling om de concentratie van de zwavelzuuroplossing verder te verhogen was de Glovertoren. Bijkomend voordeel was dat er nog minder stikstofdioxide verloren ging. Omdat er minder nodig was, werd het salpeter niet meer toegevoegd via de roostoven maar via een aparte salpeteroven.
Het Lodenkamerproces deel 4
Pyriet werd geroost in een roostoven waarbij zwaveldioxide ontstond. Met lucht werd dit gas van onder naar boven door een Glovertoren geleid. Van boven naar beneden stroomde een mengsel van salpeterzuur, zwavelzuur en stikstofdioxide. Onderaan de Glovertoren kon een 78 % oplossing van zwavelzuur worden opgevangen. Bovenaan de Glovertoren stroomde een gasmengsel van lucht, zwaveldioxide en stikstofdioxide door naar één of meerdere lodenkamers. In de lodenkamers werd met water gesproeid waarin het zwaveldioxide oploste tot zwaveligzuur. Onder invloed van stikstofdioxide werd dit zwaveligzuur geoxideerd tot zwavelzuur. Omdat in de lodenkamers geen geconcentreerd zwavelzuur kon worden bereid, werd dit zwavelzuur teruggeleid naar de Glovertoren om geconcentreerd te worden. Het stikstof en stikstofdioxide uit de lodenkamers werd van onder naar boven door de Gay-Lussac-toren geleid. De zwavelzuuroplossing uit de Glovertoren werd in tegenstroom door de Gay-Lussactoren geleid. Het stikstofdioxide loste hier in op en de ontstane oplossing werd weer bovenin de Glovertoren geleid. Het stikstof uit de Gay-Lussactoren ontweek via een schoorsteen. Het totale proces is weergegeven in onderstaand blokschema:
Leg in je labjournaal uit waarom er [ ] om een deel van het blokschema staan.
Leg in je labjournaal uit of deze bereiding van zwavelzuur een continuproces of een batchproces was. Doe dit voor elk van de vier verschillende onderdelen.
Laat een andere leerling, waar je niet mee hebt samengewerkt, je uitleg lezen en lees zelf de uitleg van die leerling. Bespreek de verschillen en noteer deze in je labjournaal. Leg uit of en waarom je door de ander overtuigd bent geraakt of waarom je bij je eigen idee bent gebleven. Geef in je labjournaal het voor jouw belangrijkste argument voor elk van de onderdelen.
5.5 De productie
In de lade van een antiek bureau heb ik onderstaande tekeningen van een lodenkameropstelling gevonden met daarbij een recept voor het maken van zwavelzuur. De tekening en het recept zijn al meer dan honderd jaren oud.
Is het nu afgelopen met die flauwekul? Allemaal leuk en aardig om de ontwikkeling van de productie van zwavelzuur door de eeuwen heen te bekijken maar ik wil nu produceren met technieken en know-how van nu. En tegenwoordig produceren we zwavelzuur met het contactproces.
Nou ja, je hebt in ieder geval gezien hoe je een proces kunt verbeteren. Alle verbeteringen waren bedoeld om goedkoper en met een hogere opbrengst te produceren. Door de lagere uitstoot waren er minder grondstoffen nodig waardoor de productie goedkoper werd. Bijkomend voordeel is dat het ook beter is voor het milieu. Geconcentreerder product is niet alleen efficiënter in de productie maar ook in de opslag. Daarnaast kan het product nu ook gebruikt worden voor doeleinden waarbij een hoge concentratie nodig is. Dat levert allemaal geld op. Net als het reduceren van de transportkosten. Van dit laatste is het volgende een goed voorbeeld.
In de buitenlucht wordt deze reactie gekatalyseerd door metaalionen die in de muren van gebouwen aanwezig zijn. In de reactor wordt als katalysator vanadium(V)oxide gebruikt. Een mengsel van lucht en zwaveldioxide wordt bij 280°C over de katalysator geleid.
Noteer in je labjournaal twee oorzaken waardoor de reactie in de reactor sneller gaat dan in de buitenlucht.
Niet al het zwaveldioxide en zuurstof wordt in de reactor omgezet. Hierdoor ontstaat een mengsel van deze twee stoffen met zwaveltrioxide. Dit mengsel wordt gekoeld tot 100 °C en naar een tweede reactor geleid. In deze tweede reactor wordt voortdurend zwavelzuur geleid. Het zwaveltrioxide reageert dan met het zwavelzuur tot oleum.
Noteer de reactievergelijking van deze omzetting in je labjournaal.
Dat is wat ik in de lade van een minder antiek bureau heb gevonden. Dus wat mij betreft doen we het zo.
Leg in je labjournaal uit of de bereiding van zwavelzuur via het contactproces een batch- of continuproces is.
5.6 De opbrengst
Beantwoord de volgende vragen in je labjournaal. Maak bij het beantwoorden gebruik van het onderstaande filmfragment.
- Welke vier toepassingen van zwavelzuur worden in het filmpje genoemd?
- Hoeveel zwavelzuur wordt er in de fabriek van Hays Chemicals in St. Helens geproduceerd?
- Waar komt de zwavel die in de fabriek gebruikt wordt, uit?
- Waarom zou de zwavel uit die bron gehaald worden? (maak bij het beantwoorden van deze vraag eventueel ook gebruik van internet)
- Welk ander product levert deze fabriek?
- Leg stapsgewijs uit hoe dit tweede product wordt geproduceerd?
Produceren via het contactproces is een mooie efficiënte manier. Laten we het zo maar doen. Levert het ons ook nog energie op.
Vraag aan je docent of PAL of je de concentratie van het geproduceerde zwavelzuur moet controleren. Het gaat hier om een practicum waarbij je gaat titreren.
5.7 Reflectie
- Benoem nog eens de eigenschappen van een batchproces en een continuproces, beperk je tot chemische industriële processen.
- Geef van beide typen een aantal voor- en nadelen.
- In welke gevallen zou je gebruik maken van een batchproces en in welke van een continuproces?
- Bespreek je bevindingen met een medeleerling en verwerk elkaars commentaar en aanvullingen.
Doe dit allemaal in je labjournaal.
Tap een bekertje water en zie hoe we verder gaan. Of spoel door als je daar meer behoefte aan hebt.
Het arrangement 6 H5 Zwavelzuur 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
2014-12-18 14:30:08
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:
Een batchproces is een proces waarbij steeds een afgepaste hoeveelheid (portie, partij, Engels = batch) van iets wordt gebruikt of gemaakt. In het dagelijks leven kom je hier allerlei voorbeelden van tegen. Noteer tien voorbeelden van batchprocessen in je labjournaal.
Bespreek jullie uiteindelijke gezamenlijke lijst met de PAL.
Als het goed is heb je nu een idee gekregen van de uiteenlopende eigenschappen van batch- en continu-processen en wat de verschillen tussen de beide soorten processen zijn. Het is nu tijd om te kijken wat voor ons de handigste manier is om zwavelzuur te bereiden.
Zoals al eerder vermeld is, zijn de stikstofoxiden gasvormig en deze konden uit de lodenkamer ontsnappen. Rond 1837 werd het proces door Gay-Lussac verbeterd. Hij ontwikkelde een toren die deze stikstofgassen kon opvangen en terugleidden. Dit zorgde voor een lager gebruik van salpeter wat leidde tot een goedkopere productie. Dit werd gedaan door de gassen uit de lodenkamer van onder naar boven door de Gay-Lussac-toren te leiden. De zwavelzuuroplossing uit de lodenkamer werd in tegenstroom door de toren geleid. Het stikstofdioxide loste hier in op en de ontstane oplossing werd de lodenkamer ingeleid. Overgebleven stikstof en een kleine hoeveelheid stikstofdioxide ontweken via de schoorsteen. In een blokschema ziet dat er als volgt uit:
Is het nu afgelopen met die flauwekul? Allemaal leuk en aardig om de ontwikkeling van de productie van zwavelzuur door de eeuwen heen te bekijken maar ik wil nu produceren met technieken en know-how van nu. En tegenwoordig produceren we zwavelzuur met het contactproces.
Produceren via het contactproces is een mooie efficiënte manier. Laten we het zo maar doen. Levert het ons ook nog energie op.
