Chemie 7e ed/FLEX - Hoofdstuk 14 - Grootschalige productie oefentoetsen & antwoorden

Reactoren worden gebruikt voor een serie producten, de reactoren worden steeds schoongemaakt na het vormen van een serie producten, de reactoren zijn onderling niet aan elkaar gekoppeld, de toevoer en de afvoer van grondstoffen verloopt niet continu, weinig geautomatiseerd, vaak worden verschillende producten in dezelfde reactor gemaakt, de reactor staat niet de hele tijd aan. Alle afval wordt gebruikt in nieuwe producten, waarbij geen kwaliteitsverlies mag optreden en alle restproducten hergebruikt moeten worden. Een maat om te bepalen hoe efficiënt de grondstoffen worden gebruikt. Het is gunstig als zoveel mogelijk atomen uit de beginstoffen in de moleculen van het gewenste reactieproduct komen.Tip: Let vooral ook op het woord gewenste, omdat het in berekeningen belangrijk is om alleen het gewenste reactieproduct mee te nemen in het berekenen van de atoomeconomie en niet alle reactieproducten. Wanneer er bij een proces geen verandering in CO2 is in de atmosfeer. Dit komt vaak voor bij biobrandstoffen, waarbij bij de vorming van de brandstoffen evenveel CO2 nodig is als er vrijkomt bij de verbranding hiervan.  Van links naar rechts:Warmtewisselaar, reactor met katalysator, compressor.Tip: Deze symbolen staan ook in BINAS Tabel 38B1. Voor het behouden van snelheid is het wel handig dit uit je hoofd te leren. Daarnaast is het natuurlijk ook handig om uit te zoeken waarvoor deze onderdelen worden gebruikt in een chemisch proces.In BINAS Tabel 97F.In BINAS Tabel 37H en 97F. Voorbeelden van een goed antwoord zijn:Er wordt beschreven dat uit de ligninefracties onder andere 4-propylguaiacol en 4-propylsyringol worden gevormd. De woorden onder andere impliceren dat er meer stoffen ontstaan (die blijkbaar ongewenst zijn). In het berekenen van de atoomeconomie worden boven de deelstreep alleen de massa van de gewenste producten meegenomen en onder de deelstreep de massa van alle beginstoffen. Het getal boven de deelstreep zal in dit geval dus kleiner zijn dan het getal onder de deelstreep, waardoor je niet op 100% uitkomt. Voorbeelden van een goed antwoord zijn:De meeste chemische reacties zijn evenwichtsreacties, waardoor er geen volledige omzetting van de beginstoffen is.Bij zuivering van de reactieproducten treedt vrijwel altijd verlies op.In het ideale geval worden alle beginstoffen omgezet in product. De e-factor is laag bij een reactie met weinig bijproducten en een hoog rendement. Hoe hoger de e-factor, hoe meer afval er is ontstaan. Het is dus gunstiger om een lage e-factor te hebben.  Het antwoord moet de volgende elementen bevatten:Een beschrijving op microniveau van beide moleculen:Fenol bevat een alcoholgroep, maar het grootste gedeelte van dit molecuul is de benzeenring.Paracetamol bevat een alcoholgroep, een NH-CO-CH3 groep en een benzeenring.Een beschrijving van de polariteit van beide moleculen:Een alcoholgroep is een polaire groep en de benzeenring is zeer apolair. Omdat fenol voornamelijk bestaat uit de benzeenring, is dit molecuul behoorlijk apolair.Paracetamol bevat eveneens de apolaire benzeenring, maar bevat naast de polaire alcoholgroep ook het polaire NH-CO gedeelte. Dit maakt paracetamol meer polair dan fenol.De conclusie (het daadwerkelijke antwoord op de vraag):Paracetamol en fenol zijn van elkaar te scheiden door het reactiemengsel op te lossen in een polaire oplossing. Daarin zal paracetamol eerder oplossen dan fenol en met een scheitrechter zijn beide oplossingen van elkaar te scheiden.In de tekst staat geschreven dat de beginstof, fenol, wordt verkregen uit aardolie. Aardolie is een fossiele brandstof en dus niet hernieuwbaar. De synthese van paracetamol kan dus groener gemaakt worden door meer aandacht te besteden aan principe 7 uit BINAS Tabel 97F.Een voorbeeld van een goed antwoord is:Van batchprocessen is bekend dat ze voornamelijk worden gebruikt voor fijnchemie en daar valt de productie van medicijnen ook onder. Het voordeel hiervan is dat bij eventuele fouten in de productie alleen die batch vernietigd hoeft te worden.Bron: 4-Nitrophenol - Wikipedia Fenol - Wikipedia Paracetamol - Wikipedia Er wordt uitgegaan van 1 mol bisfenol-A. In de reactievergelijking is namelijk ‘n’ te zien, dat staat voor een getal: het aantal mol bisfenol A. Het is alleen lastig om ‘n’ te gebruiken in concrete berekeningen zoals deze. Vandaar dat het in dat geval slim is om voor ‘n’ het getal ‘1’ in te vullen. Hierbij geldt:De massa van de beginstoffen is 228 + 98,9 + 2 x 40,0 = 406,9 g.De getallen in deze berekening zijn de molecuulmassa’s bij elkaar opgeteld van alle stoffen die voor de pijl staan. De molecuulmassa’s van de stoffen wordt als volgt berekend:Bisfenol-A: De molecuulformule is C15H16O2 .Ieder hoekpunt van de benzeenringen stellen een C-atoom voor én er zijn natuurlijk de zichtbare C-atomen. Dit geldt ook voor de H-atomen: aan ieder hoekpunt van de benzeenring is ook een H-atoom verbonden om ervoor te zorgen dat elk C-atoom vier bindingen maakt. 15 x 12,01 + 16 x 1,008 + 2 x 16,00 = 228 g/molFosgeen:De molecuulformule is COCl212,01 + 16,00 + 2 x 35,45 = 98,9 g/molNatronloog: De molecuulformule is NaOH.22,99 + 16,00 + 1,008 = 40,0 g/molOmdat er 1 mol bisfenol-A wordt gebruikt, kan de massa van de beginstoffen als het aantal gram worden genoteerd. Molecuulmassa’s worden normaliter namelijk berekend in de eenheid gram per mol. Het is nu het aantal gram per 1 mol bisfenol-A en daarom kun je voor het gemak ook het aantal gram noteren. De massa van het product is $254 \times \frac{92}{100} = 2.34 \cdot 10^2 g$Let er hierbij op dat je niet alle producten meeneemt in deze berekening, maar alléén het gewenste product. In dit geval is dat polycarbonaat. De molecuulformule van polycarbonaat is C16H14O3 wanneer er 1 mol bisfenol-A gereageerd heeft. Daarbij hoort een molecuulmassa van 16 x 12,01 + 14 x 1,008 + 3 x 16,00 = 254 g/mol. Deze hoeveelheid zal echter niet volledig ontstaan, omdat het rendement niet 100% is, maar 92%. Vandaar dat de volgende stap in deze berekening het verwerken van het rendement is. Dit doe je door 92% te berekenen van 254.De e-factor is dus $\frac{406.9 - 2.34 \cdot 10^2}{2.34 \cdot 10^2} = 0.74$De formule die je invult om de e-factor te berekenen, kun je vinden in BINAS Tabel 37H. Deze formule ziet er als volgt uit: $E - factor = \frac{m \, beginstoffen - m \, werkelijke \, opbrengst \, product}{m \, werkelijke \, opbrengst \, product}$De massa van de beginstoffen is in de eerste stap berekend. De massa van de werkelijke opbrengst van het product is in de tweede stap berekend. Deze massa is eigenlijk de massa waarin het rendement verwerkt is. Het juiste antwoord moet de volgende onderdelen bevatten:De reactiewarmte is -Ebegin + Eeind = +0,67.105 J mol-1De algemene formule voor het berekenen van de reactiewarmte is -Ebegin + Eeind = reactiewarmteDeze formule is niet in BINAS te vinden en moet je dus uit je hoofd kennen. In de vraag wordt de reactiewarmte al genoemd (namelijk +0,67.105 J mol-1), dus dit getal kun je direct invullen in deze formule. Voor de andere waarden in deze formule, Ebegin en Eeind, moet je de volgende stappen doorlopen.+0,67.105 = -[2 x (-2,02.105) + (-3,94.105)] + [(EDMC) + (-2,42.105)]Ebegin kun je berekenen door de vormingswarmte van methanol en van koolstofdioxide op te zoeken. De vormingswarmte van methanol staat in de vraag en de vormingswarmte van koolstofdioxide kun je vinden in BINAS Tabel 57A. Houd er hierbij rekening mee dat er 2 mol methanol reageert en dat je de waarde voor de vormingswarmte dus ook moet vermenigvuldigen met 2.Van Eeind weet je de vormingswarmte van DMC niet (die moet je namelijk berekenen), maar die van H2O wel. Deze kun je eveneens vinden in BINAS Tabel 57A, maar let goed op de fase: wanneer water in de gasfase is, heeft het een andere vormingswarmte dan wanneer het in de vloeibare fase is. De vormingswarmte van DMC is -4,89.105 J mol-1Dit is berekend door EDMC naar één kant van het = teken te verplaatsen en de getallen naar de andere kan. Vervolgens kun je met optellen en aftrekken de vormingswarmte van DMC berekenen.Voorbeelden van een juist antwoord zijn:Voorbeelden van een juist antwoord zijn:$K = \frac{[DMC][H_2P]}{[CH_3OH]^2[CO_2]}$$K = \frac{P_{DMC} \times P_{H_2O}}{P^2_{CH_3OH} \times P_{CO_2}}$ Tip: Bij de evenwichtsvoorwaarde staat altijd aan één kant van de pijl de K (deze staat voor de evenwichtsconstante) en aan de andere kant van de pijl staat een breuk. Boven de deelstreep staan altijd de producten en onder de deelstreep staan de beginstoffen. Dit mag je noteren als concentraties (zoals in het eerste voorbeeld) of als partiële drukken (zoals in het tweede voorbeeld).Het water wordt aan het reactiemengsel onttrokken. Het evenwicht verschuift daardoor naar rechts (en wordt aflopend), waardoor het rendement van de vorming van DMC omhoog gaat. Een korte toelichting per onderdeel dat je moest verwerken in het blokschema:Teken R4.In de tekst behorend bij de vraag wordt uitgelegd dat er na S1 meerdere stofstromen ontstaan: CO2 en methanol (die beide weer R1 in worden gestuurd), DMC, cyanopyridine en picolinamide. In het gegeven blokschema is te zien dat DMC verder wordt geleid naar R2. In de tekst wordt geschreven dat alleen picolinamide naar R4 wordt geleid en dat cyanopyridine wordt hergebruikt in R1. Vandaar dat na S1 alleen stofstroom 2 (picolinamide) naar R4 wordt geleid. Teken de ontbrekende stofstromen van cyanopyridine, picolinamide en water. Houd daarbij rekening met hergebruik van stoffen.Geef de stoffen in het schema weer met de volgende cijfers:1 Cyanopyridine. Deze stofstroom ontstaat in S1 en in de tekst is te lezen dat deze wordt hergebruikt (en dus weer naar R1 wordt geleid).2 Picolinamide. Deze stofstroom ontstaat in S1 en wordt naar R4 geleid waar het reageert tot cyanopyridine (vandaar dat één van de pijlen uit R4 aansluit bij stofstroom 1) en water.3 Water. Er wordt geschreven dat water de afvalstroom verlaat, vandaar de pijl met stofstroom 3 die uit R4 wordt geleid, maar niet naar een ander ‘blok’ in het blokschema gaat. Naar: Examen 2022-1