7. Zoutzuur productieruimte
Je bent aangekomen in de Zoutzuur Productieruimte.
Klik op de kop van de hond om te horen wat Ir. Houtgeest je te zeggen heeft.
Benodigde Voorkennis en Leerdoelen
De benodigde voorkennis en leerdoelen staan vermeld bij de Natronloog Productieruimte.
Ga maar gauw verder.
7.1 Overzicht productiemethodes
Mogelijkheden productiemethoden
Welkom nogmaals in deze productieruimte. Het is de bedoeling dat hier zoveel mogelijk zoutzuur geproduceerd gaat worden. Halber Fritz zal je de ins and outs vertellen. Ik heb geen tijd, dat begrijp je inmiddels wel.
Zoutzuur is een gewild product: in laboratoria wordt het veel gebruikt om de pH van oplossingen te reguleren. Verder wordt het gebruikt bij het looien van leer, het etsen van printplaten en het zuiveren van staal. Ook wordt het in de voedingsmiddelenindustrie net als natronloog als zuurteregelaar gebruikt (E507), teveel om allemaal op te noemen.
Help Halber Fritz zodat hij mij en Prof. Vitriool straks goede adviezen kan geven over de beste op te zetten productielijn.
Goed, allereerst heeft je docent mij gevraagd om je nog eens nadrukkelijk erop te wijzen dat zoutzuur geen HCl is. HCl is namelijk het gas waterstofchloride en zoutzuur is de oplossing van HCl in water. Omdat HCl een sterk zuur is, zul je in zoutzuur geen HCl-molecuul tegenkomen, maar alleen H3O+ en Cl− deeltjes, en watermoleculen natuurlijk.
OK, dan nu naar de productiemethoden. Om zoutzuur te maken, moet je dus eerst HCl produceren, wat je dan als laatste stap in water laat oplossen.
Tegenwoordig wordt de grootste hoeveelheid HCl gevormd als bijproduct bij de productie van chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's), bijvoorbeeld Teflon, Freon en PVC. Omdat we die koolwaterstoffen niet in de Virtuele Fabriek maken, valt die productiewijze voor ons af.
Voor de Virtuele Fabriek zijn er twee bestaande productiemethoden die het meest voor de hand liggen om een productielijn mee op te zetten, omdat we dan gebruik kunnen maken van eigen producten als grondstoffen. Hieronder bespreek ik ze bij A] en B]:
A] we kunnen gebruik gaan maken van het geproduceerde waterstofgas en chloorgas uit de natronloogproductieruimte.
Hieruit kan via de reactie H2 + Cl2 → 2HCl, en aansluitend oplossen in water, zoutzuur geproduceerd worden.
In totaal heeft de productie van zoutzuur op deze manier vier stappen:
- Natriumchloride oplossen in water;
- Via elektrolyse productie van H2 en Cl2;
- Uit de gassen uit stap 2 wordt HCl gemaakt;
- Dit wordt opgelost in water.
Klinkt simpel, toch! Er zitten echter wel wat haken en ogen aan voor stap 3, zoals je in onderstaand filmpje kunt zien.
Bedenk aan de hand van dit filmpje welke extra maatregelen we zouden moeten nemen voor productiemethode A]. Noteer je antwoord in je labjournaal.
B] We kunnen gebruik gaan maken van het door ons geproduceerde zwavelzuur.
Als je zwavelzuur bij vast natriumchloride doet ontstaat er natriumwaterstofsulfaat en HCl (stap 1). Dit gebeurt al bij kamertemperatuur. Als je het vervolgens verhit tot boven 200 °C, dan kan natriumchloride reageren met het gevormde natriumwaterstofsulfaat tot meer HCl en natriumsulfaat (stap 2).
Als laatste het HCl laten oplossen in water (stap 3).
De bovengenoemde stappen zijn in het filmpje hieronder te zien.
Noteer tijdens het bekijken van het filmpje in je labjournaal de gegevens over de stoffen die voorbij komen. Die heb je later nodig!
Uit het productie-stukje heb je de volgende gegevens nodig:
- hoeveelheid natriumchloride
- hoeveelheid en molariteit zwavelzuur
Uit het stukje over opbrengst-analyse heb je het volgende gegeven nodig:
Zo, nu heb je een beeld gekregen van de twee productiemanieren.
Om de genoemde productiemethoden A] en B] goed te kunnen vergelijken, is het handig om de algehele (totaal-) reactievergelijking van beide methoden eerst te bepalen.
Schrijf in je labjournaal de totaalreacties van de productiemethoden A] en B]. Omdat beide methoden als laatste stap hebben het oplossen van het gevormde HCl in water, laat je die stap voor het gemak even weg uit beide algehele reactievergelijkingen.
Om de algehele (totaal-) reactievergelijking te krijgen, tel je alle deelreacties uit de verschillende stappen van het productieproces bij elkaar op. Vaak werkt het trouwens simpeler om goed te kijken welke stoffen er worden gebruikt als grondstoffen en die voor de pijl te zetten en welke stoffen er geproduceerd worden en die na de pijl te zetten en de vergelijking dan kloppend te maken.
Bij A] begin je namelijk met natriumchloride en water en eindig je met natronloog en HCl.
Als je eruit bent, laat het dan controleren door mij of je docent.
7.2 Atoomeconomie, rendement en E-factor
In de natronloog productieruimte hebben we het al over Duurzame Chemie gehad.
Ik zal het nog even herhalen.
Samengevat komt Duurzame Chemie ofwel Groene Chemie hierop neer:
Je gaat nu oefenen met drie specifieke factoren waarmee je een productieproces op duurzaamheid kunt beoordelen. De PALstudent zal je hierbij helpen door je drie factoren uit te leggen en je daarover vragen te stellen.
Het gaat om de volgende factoren:
- Atoomeconomie
- Rendement
- de E-factor (Environmental-factor)
Als je geoefend hebt, gaan we deze factoren gebruiken om de twee productiemethoden voor zoutzuur langs de meetlat te leggen.
Zo, nu ben je wel weer even helemaal murw-gerekend, schat ik zo in.
Kopieer als laatste de formules van Atoomeconomie, Rendement en E-factor nog even naar je labjournaal, dan heb je ze bij de hand.
Of staan ze tegenwoordig al in je Binas?
7.3 Duurzaam?
Keuzes voor een duurzame Zoutzuurproductie
Hallo maar weer. Ik ga ervan uit dat je nu goed kunt rekenen aan de drie duurzaamheidsfactoren Atoomeconomie, Rendement en E-factor.
We moeten nu voor prof. Vitriool en Ir. Houtgeest uitzoeken wat de beste Zoutzuur-productiemethode voor de Virtuele Fabriek is, en naar mijn mening is de duurzaamste de beste.
Pak daarvoor even de algehele reacties van beide productiemethoden erbij. Die heb je als het goed is in je labjournaal opgeschreven en laten controleren door je docent.
Om een goed advies te kunnen geven, moeten de volgende vragen hieronder beantwoord worden.
Schrijf een advies aan prof. Vitriool en Ir. Houtgeest, waarin je de uitgewerkte antwoorden op onderstaande vragen verwerkt. Werk er samen met een mede-stagiair aan via GoogleDocs of deze site. Gebruik de tekst, die in je labjournaal staat voorgedrukt, als basisstructuur voor je advies.
Als jullie klaar zijn, kopieer het advies dan naar jullie labjournaal en zet jullie namen eronder.
- Bereken voor zowel methode A] als B] de Atoomeconomie en de E-factor, als je voor nu aanneemt dat het rendement van beide methoden 100% is. Welke methode komt er nu als duurzaamste uit?
- De bijproducten uit beide methoden zijn bruikbaar en kunnen verkocht worden. Ze zijn dus in werkelijkheid geen afval. Wat wordt nu de Atoomeconomie en de E-factor bij 100% rendement? Welke methode komt er dan als duurzaamste uit?
- Nu gaan we het rendement erbij betrekken. Bereken het rendement voor methode A]. Hier heb je nog de volgende gegevens voor nodig:
er kan in de Virtuele Fabriek een rendement van 65% gehaald worden in de productie van chloorgas en waterstofgas. De vorming van HCl-gas uit deze twee gassen gebeurt met een rendement van 97%, en het oplossen van het gevormde HCl-gas in water heeft een rendement van 88%.
- Bereken het rendement van methode B]. gebruik hiervoor de gegevens die je uit het filmpje van methode B] hebt gehaald en in je labjournaal hebt genoteerd. Behalve deze gegevens heb je ook nog het volume van het geproduceerde zoutzuur nodig. Dat was 200 mL.
- Herbereken naar aanleiding van de rendementen opnieuw de E-factor van methode A] en B]. Neem als product alleen HCl (de rest even als afval beschouwen).
Welke methode komt er nu als duurzaamste uit?
- Het rendement van een proces kan soms nog verbeterd worden, door aanpassingen te doen aan de constructie/opstelling van de hele productielijn. Voor methode A] is de constructie/opstelling al behoorlijk uitgebalanceerd. Methode B], zoals in het filmpje getoond werd, was nog lang niet geoptimaliseerd. Lees de stappen van de productiemethode B] nog eens door en bekijk het filmpje nogmaals tot aan de analyse van de molariteit van het zoutzuur. Welke twee aanpassingen zullen in ieder geval het rendement verder verhogen, als je naar het filmpje kijkt? Met hoeveel procent denk je het rendement met de aanpassingen minimaal te kunnen verhogen? Wat wordt de E-factor dan?
- Met behulp van de E-factor krijg je inzicht in de hoeveelheid afval per kg product, maar we hebben nog helemaal geen rekening gehouden met de veiligheids- en milieuaspecten van de bijproducten en tussenproducten die gevormd worden. Een manier is om naar de MAC-waarden te kijken. Zoek van de bij- en tussenproducten van beide methodes op in hoeverre deze milieugevaarlijk zijn. Welke methode vind je qua milieugevaarlijkheid het duurzaamst?
- Zijn er nog andere aspecten behalve de hier bovengenoemde, waarvan jij vindt dat die ook meegenomen moeten worden in het besluit over welke Zoutzuur-productiemethode opgezet gaat worden in de Virtuele Fabriek? Bespreek deze beknopt.
- Nu alles overwegende: tot welk eindadvies kom je?
Dag leerling, ik wil graag je advies lezen, voordat je het indient bij prof. Vitriool en ir. Houtgeest.
Ik wil niet dat je een flater slaat en help je graag je gedachten over het advies te ordenen.
7.4 Reflectie
Terugblik
Deze reflectieopdracht blikt terug op je werk in zowel de Natronloog als de Zoutzuur Productieruimte. In de Natronloog en Zoutzuur Productieruimten ben je behalve met Redoxchemie ook flink bezig geweest met Duurzame Chemie, en hebt je verdiept in de aspecten Atoomeconomie, Rendement en E-factor. In het advies dat je voor ons geschreven hebt, heb je ook nog nagedacht over de vervuilingsfactor van verschillende grondstoffen en producten.
Een aspect waar we het niet over gehad hebben is Energie. Om duurzaam te produceren is het belangrijk om je productielijn zo op te zetten, dat er zo min mogelijk energie voor nodig is, en dat energie die vrijkomt bij een stap in het proces, weer hergebruikt kan worden. Met behulp van een Energie-balans kun je meer inzicht krijgen in dit aspect.
Binnen je stage hebben we geen tijd om hier aandacht aan te besteden.
Je kunt je Docent vragen of je je hierin wel moet bekwamen en hoe je dat dan moet doen.
- Kijk nog eens in je labjournaal naar de leerdoelen die bij het onderdeel Reflectie nog eens voorgedrukt staan.
- Bedenk aan de hand van deze leerdoelen en de werkzaamheden die je in de Natronloog en Zoutzuurproductieruimten hebt uitgevoerd een opgave met antwoordmodel, die geschikt is voor een toets over deze leerdoelen.
- Werk er samen met een mede-leerling aan.
- Zet de opgave, die uit 3 deelvragen moet bestaan, in je labjournaal met de naam van je mede-stagiair erbij. Zet er in het antwoordmodel bij de uitwerkingen ook aanwijzingen bij over hoe elk scorepunt verdiend moet worden.
Laat mij weten wanneer je je reflectie-opdracht hebt gedaan. Afhankelijk hiervan wordt het vervolg van je stage bepaald.
Ik zal de gemaakte opgave met antwoordmodel bekijken en zo nodig aanwijzingen ter verbetering geven.
Als het een goede opgave is, heb je kans dat hij in een van de toetsen terecht komt! Heb je die punten al binnen!
Klik op de afbeelding om te horen wat je na de reflectie-opdracht gaat doen.
