Hoofdstuk 14 Groene chemie in de industrie

Hoofdstuk 14 Groene chemie in de industrie 

14.1 Van aardgas tot synthesegas 
Synthesegas is een mengsel van waterstof en koolstofmonooxide. Synthesegas is te maken uit fossiele brandstoffen, maar ook uit biomassa. De bereiding van methaan gebeurt via stoomreforming. Dat is een proces waarbij koolwaterstoffen met stoom (H2O) reageren. Hierbij ontstaat een gasmengsel dat rijk is aan koolstofmonooxide en waterstof. 
Dit proces kun je ook weergeven in een blokschema:  

In de praktijk moet je met verschillende omstandigheden rekening houden: 

Temperatuur: 
de reactie naar rechts is endotherm. Dit houdt in dat werken bij een hoge temperatuur de productie van synthesegas gunstig beïnvloedt.  

Druk: 
De reacties verlopen sneller bij een hogere druk, hierdoor is het mogelijk om meer synthesegas te produceren in kortere tijd, maar ze doen dit niet omdat een lagere druk kostenbesparend is. 

Katalysator: 
Een juiste katalysator laat de reactie sneller/efficiënter verlopen. Voor dit proces is dat Nikkel. 

Nevenreacties: 
Naast reactie 1 treden er nevenreacties op (nevenreactie is dat naast de gewenste reactie ook een andere reactie optreedt). Bijv: 

Warmtewisselaar: Wordt gebruikt om mengsel af te koelen. Binas 38B1 voor de symbolen. 
Het uitgangspunt van de groene chemie is het minimaliseren van giftige stoffen (binas 97F).  

Voor onderstaande principes scoort de vergassing van biomassa beter dan van methaan: 

Efficiënte atoomeconomie: 
een efficiënte atoomeconomie houdt in dat het eindproduct zoveel mogelijk atomen van de grondstoffen bevat. Als nevenreacties veelvuldig voorkomen, heeft dat een negatief effect op de atoomeconomie.  

Efficiënt energiegebruik 
Bij methaan is er een temperatuur van 1200 K en een druk van 30 bar nodig. Bij biomassie is dit 100 K en een minder hoge druk. Dat proces is dan waarschijnlijk efficiënter met de energie. 

Hernieuwbare grondstoffen: 
Biomassa is een hernieuwbare grondstof en methaan niet. 

14.2 Van synthesegas tot methanol 
Compressor → Hierin wordt het synthesegas samengeperst.  
Condensor → Hierin wordt methaan gecondenseerd. 

In een blokschema gebruik je grafische symbolen voor de apparaten die in de chemische industrie gebruikt worden, zoals een compressor, warmtewisselaar, reactor en een katalysator. Deze symbolen staan in Binas 38B1. 

Homogene mengsels:

Methode 

Berust op 

Indampen 

Verschil in kookpunt 

Adsorberen 

Verschil in aanhechting 

Destilleren 

Verschil in kookpunt 

Heterogene mengsels: 

Methode  

Berust op  

Extraheren 

Verschil in oplosbaarheid 

Centrifugeren 

Verschil in dichtheid 

Bezinken 

Verschil in dichtheid en oplosbaarheid 

Filtreren 

Verschil in grootte 

14.3 Van methanol tot biodiesel 
Kraken → Stoffen in aanwezigheid van een katalysator sterk te verhitten, waardoor grote moleculen breken in kleinere stukken. 

Bij katalytisch reformen worden alkanen of cycloalkanen omgezet tot aromaten (stoffen met benzeenring) en waterstof. Hoewel de term reformen wordt gebruikt, is dit wat anders dan stoomreformen!  

Biobrandstoffen is uit plantaardig materiaal gewonnen brandstof. Het materiaal waaruit biobrandstoffen gemaakt worden, is de biomassa. Je kunt biobrandstoffen in drie generaties indelen, namelijk: de eerste generatie biobrandstoffen wordt geproduceerd uit gewassen, die daarvoor speciaal geteeld worden (dit leidt wel tot voedselconcurrentie). De tweede generatie biobrandstoffen wordt gemaakt uit afval van bijv mais en graan. De derde generatie biobrandstoffen wordt gemaakt uit algen en bacteriën. 

Vetzuren zijn carbonzuren met een lange koolstofketen (binas 67G2). Deze vetzuren kun je aangeven met algemene formule R-COOH. Biodiesel ontstaat als zonnebloemolie met methanol wordt behandeld. Als een olie met methanol reageert, treedt omestering op: de drievoudige ester van glycerol wordt omgezet in drie esters van methanol. Eetbare olie + methanol → methylesters + glycerol. De methylesters van vetzuren staan bekend onder de naam biodiesel.  

Een productieroute die duurzaam is, voldoet aan de uitgangspunten van de groene chemie waarbij je probeert zo zuinig mogelijk om te gaan met energiebronnen en milieu. Wat er voor en na de productieroute gebeurd, heet Cradle to Cradle (van wieg tot graf). De drie basisregels van cradle to cradle zijn: afval is voedsel, zon is de energiebron en respect voor diversiteit.  

14.4 Van methanol tot plexiglas 
Bij de atoomeconomie bekijk je hoeveel van de atomen uit de beginstoffen uiteindelijk via de reactievergelijking in het gewenste uitproduct voorkomen. Zie ook binas 37H en 97F 
Atoomeconomie = (massa product / massa beginstoffen) x 100% 

De E-factor, Environmental factor, is een andere waarde om van een synthese te bepalen hoe groen deze is. Naast deze reactievergelijking komt hierin ook het rendement tot uitdrukking. De E-factor is een maat voor de hoeveelheid afval die bij een bepaald proces ontstaat. Hoe hoger het rendement, des te kleiner is de hoeveelheid afval en des te kleiner is de E-factor. Zie ook binas 37H 
E = (massa beginstoffen – massa opbrengst product) / massa opbrengst product 

De atoomeconomie van een proces berekenen: 

1. Geef de kloppende reactievergelijking. 

1. Bereken de totale massa van de beginstoffen en de massa van het gewenste product. Gebruik hiervoor de reactievergelijking. 

1. Bereken de atoomeconomie. 

De E-factor van een proces berekenen: 

1. Geef de reactievergelijking. 

1. Bereken de totale massa van de beginstoffen volgens de reactievergelijking. Bereken met behulp van het rendement de massa van het gewenste eindproduct. 

1. Bereken de E-factor. 

14.5 Hoe krijgt een bedrijf een vergunning? 
Milieueffectrapportage → Welke gevaren en risico’s de fabriek of bedrijf met zich meebrengt. 

Een productieproces kan gevolgen hebben voor milieu en gezondheid. Daarom moet duidelijk zijn wat de vestiging van een fabriek kan betekenen op verschillend gebieden: 

1. 1. Transport van grondstoffen, producten en afvalstoffen
   Het transport van stoffen kan gevaren en overlast opleveren.
3. Uitstoot
   Voor vrijwel alle stoffen geldt een grenswaarde (maximale uitstoot van stoffen per dag of jaar)  
5. Gebruik van (koel)water
   Eenelektriciteitscentrale gebruikt veel koelwater. Het warme water wordt weer geloosd, waardoor het oppervlaktewater opwarmt. Dit heeft negatieve gevolgen voor de visstand en de plantengroei. In de vergunning moeten grenzen gesteld worden aan de hoeveelheid op te nemen koelwater en lozen warm water. 
7. Risico bij calamiteiten
   De fabriek moet verregaande maatregelen nemen op risico’s zo klein mogelijk te maken (lekkage, brandveiligheidetc). 
9. Warmte /krachtkoppeling 
   Bij de verbranding van brandstoffen en andere exotherme reacties ontstaat warmte die niet alleen gebruikt kan worden om de fabriek te verwarmen, maar ook om allerlei machines aan te drijven.