wat het verschil is tussen batch- en continu-processen
welke voor- en nadelen beide typen processen hebben
hoe het zit met atoom-economie, rendement en E-factor
Processen
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).
Maak nu eerst de onderstaande 4 opdrachten.
Opdracht 1: 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 schrift.
Opdracht 2: 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 schrift.
Opdracht 3: 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 schrift.
Opdracht 4: 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 schrift.
Als je klaar bent zoek je een andere leerling op die ook klaar is en maak je onderstaande opdracht.
Opdracht 5: Bespreek je twee lijsten met een andere leerling en noteer de overeenkomsten in je schrift.
Als je klaar bent ga je verder met het volgende onderdeel. Je docent laat weten of de gezamenlijke lijsten klassikaal besproken worden zodra iedereen klaar is.
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. In het volgende deel gaan we kijken wat de handigste manier is om zwavelzuur te bereiden.
Productie door Alchemisten
De productie van zwavelzuur door alchemisten behandelen we aan de hand van een aantal vragen.
Klik op 'Start' hieronder en beantwoord de 7 vragen.
Schrijf de vragen, de antwoorden en eventuele uitleg in je schrift.
De ‘sterkte’ van de zure oplossing kon op verschillende manieren worden geregeld.
Opdracht 6: Vermeld in je schrift 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.
Opdracht 7: Leg uit of deze bereiding van zwavelzuur een continuproces of een batchproces was.
Opbrengsten
Er kan op verschillende manieren gekeken worden naar de opbrengst van een proces of reactie.
- de atoomeconomie
- het rendement
- de E-factor
Het rendement zegt iets over de praktische efficientie van een reactie of proces en de atoomeconomie en de E-factor geven inzicht in de duurzaamheid van een proces. (extra uitleg hierover kun je HIER vinden) Je gaat alle drie de factoren bij de productie van zwavelzuur door alchemisten bekijken.
Atoomeconomie
De atoomeconomie is het percentage van de massa in je uitgangsstoffen die in je gewenste product kan eindigen.
In formulevorm: \(atoomeconomie = {\text {massa van het gewenste product}\over \text{massa van de uitgangsstoffen}}*\text{100%}\)
De productie van zwavelzuur door alchemisten verliep in drie stappen.
Met behulp van de totale reactievergelijking kun je uitrekenen wat de theoretisch maximaal mogelijke opbrengst is.
2 FeSO4•7 H2O → Fe2O3 + H2SO3 + H2SO4 + 12 H2O
In de vergelijking zie je dat 2 mol groene vitriool (278 g/mol), 1 mol zwavelzuur (98 g/mol) levert. Uit 556 g groene vitriool zou je dus maximaal (100% rendement) 98 g zwavelzuur kunnen maken. Als je 556 g groene vitriool gebruikt en de opbrengst aan zwavelzuur is 49 g dan is het rendement van je productieproces (49 g / 98 g) * 100% = 50 massa%.
Wil je meer oefenen met rekenen aan rendement? Klik HIER.
E-factor
De E-factor (Environmental factor) is een waarde die aangeeft hoe duurzaam een synthese of productieproces is. Deze factor geeft aan hoeveel massa er aan niet-gewenste bijproducten wordt geproduceerd ten opzichte van het wel-gewenste product.
In formulevorm: \(E-factor = {\text {massa beginstoffen - massa werkelijke opbrengst product}\over \text{massa werkelijke opbrengst product}}\)
Hoe meer ongewenste bijproducten (atoom-economie) en hoe lager het rendement, des te groter de E-factor en des te minder duurzaam het proces of de reactie.
We bekijken weer de totaalreactie van de alchemisten.
2 FeSO4•7 H2O → Fe2O3 + H2SO3 + H2SO4 + 12 H2O
Wil je meer oefenen met rekenen aan de E-factor? Klik HIER.
Het Lodenkamerproces
De concentratie van het zwavelzuur dat 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.
Klik op 'Start' hieronder en beantwoord de 2 vragen.
Schrijf de vragen, de antwoorden en eventuele uitleg in je schrift.
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.
Atoomeconomie
De totaalreactie van het lodenkamerproces kan als volgt worden weergegeven:
Argumenteer-opdracht 1: Leg uit aan de hand van de atoomeconomie welk proces efficienter is, het lodenkamerproces of de productie door alchemisten. Doe dit volgens het model van Toulmin en geef aan wat je 'stelling', 'data' en 'rechtvaardiging' zijn. {Weet je niet (meer) wat het Toulmin model is? Klik dan HIER voor uitleg en wat oefening.}
E-factor
Maak onderstaande opdracht in je schrift.
Argumenteer-opdracht 2: Leg uit aan de hand van de E-factor welk proces efficienter is, het lodenkamerproces of de productie door alchemisten. Doe dit volgens het model van Toulmin en geef aan wat je 'stelling', 'data' en 'rechtvaardiging' zijn. {Weet je niet (meer) wat het Toulmin model is? Klik dan HIER voor uitleg en wat oefening.}
Het Lodenkamerproces verder verbeterd
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 terugleiden. 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.
De Verbetering
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:
Opdracht 8: Leg uit in je schrift waarom er [ ] om een deel van het blokschema staat. Geef in je uitleg aan wat je 'stelling', 'data' en 'rechtvaardiging' zijn. {Weet je niet (meer) wat het Toulmin model is? Klik dan HIER voor uitleg en wat oefening.}
Opdracht 9: Leg uit of deze bereiding van zwavelzuur een continuproces of een batchproces was. Doe dit voor elk van de vier verschillende onderdelen.
Opdracht 10: 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 schrift. Leg uit of en waarom je door de ander overtuigd bent geraakt of waarom je bij je eigen idee bent gebleven. Geef in je schrift het voor jouw belangrijkste argument voor elk van de onderdelen.
De Productie
In onderstaande figuur is een tekening uit 1890 te zien van een lodenkameropstelling voor het maken van zwavelzuur.
Tegenwoordig produceren we zwavelzuur met het contactproces. 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. De ontwikkelingen hebben naast een hogere efficiëntie van de vorming ook gezorgd voor een verbeterde atoom-economie en een gunstiger E-factor.
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.
Klik op 'Start' hieronder en beantwoord de 2 vragen.
Schrijf de vragen, de antwoorden en eventuele uitleg in je schrift.
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 pyrozwavelzuur, het voornaamste bestanddeel van rokend zwavelzuur of oleum.
Opdracht 12: Noteer de reactievergelijking van deze omzetting in je schrift.
Behalve deze reactie vindt er ook een scheiding plaats: het zwaveldioxide en zuurstof worden vanuit de tweede reactor teruggeleid naar de eerste reactor en het pyrozwavelzuur gaat naar een derde reactor. In de derde reactor reageert dit pyrozwavelzuur met water tot zwavelzuur.
Opdracht 13: Leg in je schrift uit of de bereiding van zwavelzuur via het contactproces een batch- of continuproces is. Geef in je uitleg aan wat je 'stelling', 'data' en 'rechtvaardiging' zijn. {Weet je niet (meer) wat het Toulmin model is? Klik dan HIER voor uitleg en wat oefening.}
De Opbrengst
Opdracht 14:Bekijk het filmfragment hieronder en beantwoord dan de vragen eronder in je schrift.
a] Welke vier toepassingen van zwavelzuur worden in het filmpje genoemd?
b] Hoeveel zwavelzuur wordt er in de fabriek van Hays Chemicals in St. Helens geproduceerd?
c] Waar komt de zwavel die in de fabriek gebruikt wordt, uit?
d] Waarom zou de zwavel uit die bron gehaald worden? (maak bij het beantwoorden van deze vraag eventueel ook gebruik van internet)
e] Welk ander product levert deze fabriek en leg stapsgewijs uit hoe dit wordt geproduceerd.
Klik op 'Start' hieronder en beantwoord de 4 vragen.
Schrijf de vragen, de antwoorden en eventuele uitleg in je schrift.
De geproduceerd zwavelzuuroplossing bevat 98 massa% zwavelzuur. Voordat het zwavelzuur verkocht kan worden moet gecontroleerd worden of de concentratie van het product wel klopt.
Van het geproduceerde zwavelzuur wordt daarvoor 10,00 mL gepipetteerd en overgebracht in een 1,000 L maatkolf. Deze wordt vervolgens netjes aangevuld.
Bepaal de precieze concentratie van deze verdunde oplossing zodat je nauwkeurig het massa% van de geproduceerde zwavelzuuroplossing kunt vaststellen.
Dit ga je doen door het zwavelzuur nog verder te verdunnen en dan te titreren met 0,1000 M (vraag docent of TOA de gebruikte concentratie) natronloog.
Opdracht 15:Pipetteer 25,00 mL van de verdunde zwavelzuuroplossing en breng deze over in een 100,00 mL maatkolf. Vul deze netjes aan. Laat met een berekening in je schrift zien hoeveel natronloog je ongeveer nodig zult hebben als je 10,00 mL van de laatstverdunde zwavelzuuroplossing titreert.
Opdracht 16:Titreer nu 10,00 mL van deze laatste oplossing met de natronloog en een geschikte indicator. Voer de titratie uit in duplo en bepaal de precieze concentratie van het geproduceerde zwavelzuur.
Opdracht 17:Vergelijk jouw resultaat met het resultaat van een medeleerling. Hoe zouden jullie (grote) verschillen in die resultaten kunnen verklaren?
De Afronding
Opdracht 18:Benoem nog eens de eigenschappen van chemische industriële batch- en continuprocessen in je schrift.
Opdracht 19:Schrijf van beide typen een voor- en een nadeel in je schrift.
Opdracht 20:Wanneer zou je gebruik maken van een batchproces en wanneer van een continuproces?
Het arrangement De Productie van Zwavelzuur is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
herbert van de voort
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2017-06-20 00:15:44
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding 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.
Voordat je begint...
Opdracht 12: Noteer de reactievergelijking van deze omzetting in je schrift.
