Nova Scheikunde MAX 3.0 deel B - Hoofdstuk 15 - Industriële Chemie oefentoetsen & antwoorden

De productie van ammoniak is een continuproces. Bij de reactie worden stikstof en waterstof voortdurend toegevoerd aan een reactor onder hoge druk en temperatuur, waarbij ammoniak continu wordt gevormd en afgevoerd. Het bakken van koekjes is een batchproces. Ingrediënten voor koekjes worden in afzonderlijke porties gemengd, gebakken en verpakt. De productie verloopt in batches, omdat het bakken en afkoelen specifieke tijden vereisen en de apparatuur opnieuw gevuld moet worden voor elke nieuwe batch.Het raffineren van ruwe olie is een continuproces. Ruwe olie wordt continu aangevoerd en verwarmd in een destillatietoren, waarbij scheiding plaatsvindt op basis van kookpunten.De productie van geneesmiddelen is een batchproces. Geneesmiddelen worden vaak in batches geproduceerd om te voldoen aan strikte kwaliteits- en veiligheidseisen. Elke batch wordt afzonderlijk gecontroleerd op samenstelling en zuiverheid, en het proces biedt de mogelijkheid om kleine hoeveelheden te produceren of om snel te schakelen naar een ander geneesmiddel. Gegeven:$M_{triglyceride} = (57 \cdot 12,01) + (104 \cdot 1,008) + (6 \cdot 16,00) = 885,4\ g/mol$$M_{methanol} = 12,01 + (4 \cdot 1,008) + 16,00 = 32,04\ g/mol$$M_{biodiesel} = (19\cdot 12,01) + (36\cdot 1,008) + (2\cdot 16,00) = 296,48\ g/mol$Biodiesel is het gewenste productGevraagd:Atoomeconomie = ? %Formule:$\rm Atoomeconomie = \frac{massa\ gewenst\ product}{massa\ beginstoffen} \cdot 100\%$Berekening:$\rm Atoomeconomie = \frac{3 \cdot 296,48}{885,4 +(3\cdot 32,04)} \cdot 100\% = 90,6\%$Conclusie:De Atoomeconomie van deze reactie voor de productie van biodiesel is 90,6%Gegeven:Rendement = 75,3 %Massa’s van de stoffen, zie vraag a.Gevraagd: E-factor = ?Formule:$\rm E-factor = \frac{massa\ beginstoffen - massa\ werkelijke\ opbrengst\ product}{massa\ werkelijke\ opbrengst\ product}$Berekening:Massa beginstoffen = $885,4 + (3 \cdot 32,04) = 981,52\ g$Massa werkelijke opbrengst product = $75,3\%\ van\ (3\cdot 296,48) = 669,7\ g$$E-factor = \frac{981,52-669,7}{669,7} = 0,645$Conclusie:De E-factor voor deze productie van biodiesel is 0,645. Er zijn twee uitgangspunten waarom er gekozen kan worden voor methode 2 in plaats van methode 1.Uitgangspunt 4: Ontwikkelen van minder schadelijke chemische stoffen.Bij methode 1 ontstaat er HCl. Dit vormt als het oplost in water zoutzuur wat gevaarlijk is.Uitgangspunt 8: Reacties in weinig stappen. Methode 1 vindt plaats in twee stappen terwijl methode 2 maar één stap nodig heeft. Melkzuur is 2-hydroxypropaanzuurTe zien is dat 2-hydroxypropaanzuur een zuurgroep en een alcoholgroep heeft. Hierdoor kan hij met zichzelf een condensatiepolymeer worden. Hierbij reageert de zuurgroep met de alcohol groep waarbij een esterbinding ontstaat.PLA is dusPLA is biologisch afbreekbaar. Het is een condensatiepolymeer wat kan worden afgebroken door middel van een hydrolysereactie. Hiervoor is alleen water en vaak een enzym nodig. Geef per stap in het blokschema aan wat er gebeurt. Hierdoor bewaar je het overzicht.Hier hoef je niets aan te geven, omdat bij de stoffen uit R1 een * staat. Bedenkt wel dat dit alle producten uit reactie 1 zijn behalve CO2, omdat deze in R1 er bovenuit gaat.GABA wordt volledig gescheiden van al het afval. Bij de pijl van S1 naar R2 zet je dus GABA.In R2 vindt reactie 2 plaats. Dit is GABA → 2-pyrrolidon + H2O. Er staat weer een *, dus dit hoef je verder niet te noteren in het blokschema.In R2 vindt ook reactie 3 plaats. Beginstoffen zijn methanol en 2-pyrrolidon. Producten zijn water en NMP. Teken dus een pijl naar R2 met daarbij methanol.Doordat hier de omzetting geen 100% is, komen ook beginstoffen uit reactie 2 in S2 terecht (dit zie je ook aan het woord overmaat).Vier scheidingsstromen, dus in totaal 4 pijlen. Afval is al gegeven. Methanol wordt teruggevoerd naar R2 (hergebruik). Omdat methanol als beginstof wel deels wordt gebruikt, moet je extra toevoer van methanol van buiten aangeven met een pijl.Het NMP is een gewenst product en is dus een aparte pijl naar buiten.Van S2 naar R3 gaat het overgebleven 2-pyrrolidon naar R3. Hier is reactie 4 waar ethyn een beginstof is die van buiten wordt toegevoegd.In S3 is het afval gescheiden van gewenst product NVP. Deze teken je als aparte pijl naar buiten.Hiermee krijg je een antwoord als volgt: Er is eerst een reactor nodig waarin de waterstof met het methaan reageert. Na deze reactor zal er een scheiding nodig om het koolstofdioxide uit het mengsel te halen. De stikstof wordt gehaald uit de lucht door middel van een scheiding. De waterstof en stikstof komen vervolgens samengevoegd en onder druk gebracht.Dit gasmengsel zal vervolgens naar een reactor gaan waar ammoniak wordt gevormd. Uit het mengsel dat ontstaat, zal vervolgens de ammoniak worden gescheiden en de overgebleven waterstof en stikstof zal worden gerecirculeerd. Hier ontstaat het volgende schema uit: Uit de fermentatie komt melkzuur en glucose.Na de zuivering wordt het overgebleven glucose afgevoerd. Deze glucose kan worden teruggevoerd naar de fermentatie. Gegeven:$m_{glucose} =  10\ kg$$m_{PLA} = 4,3\ kg$. Dit is de praktische opbrengst.Gevraagd:Rendement = ? %Formule:$\rm rendement = \frac{praktische\ opbrengst}{theoretische\ opbrengst} \cdot 100\% $ Berekening:Theoretische opbrengst:$n_{glucose} = \frac{m}{M} = \frac{10{\cdot}10^3}{180,16} = 55,5\ mol$Hieruit ontstaat $55,5\cdot 2 = 111\ mol$ melkzuur. (Zie reactie 1 voor de molverhouding)Bij de polymerisatie van 111 mol melkzuur ontstaat 111 mol water. Er ontstaat dus maximaal 111 mol water$m_{water} = n\cdot M = 111 \cdot 18,016 = 2,0{\cdot}10^3\ g = 2,0\ kg$Water is het enige afvalproduct dus is de theoretische opbrengst $10,0-2,0=8,0\ kg$ PLA$Rendement = \frac{4,3}{8,0}{\cdot}100\% = 55\ %$Conclusie:Het rendement van de testproductie is 55%Gegeven:Uit de gegeven informatie kunnen we de volgende reactievergelijking opstellen.150 C3H6O3 🡪 (C3H4O2)150 + 150 H2OGevraagd:atoomeconomie = ? %Formule:$\rm Atoomeconomie = \frac{massa\ gewenst\ product}{massa\ beginstoffen} \cdot 100\%$Berekening:Massa beginstoffen = $150\cdot  (3\cdot 12,01+6\cdot 1,008+3\cdot 16,00) = 13,5{\cdot}10^3\ g$Massa gewenst product = $150\cdot (3\cdot 12,01+4\cdot 1,008+2\cdot 16,00) = 10,8{\cdot}10^3\ g$$Atoomeconomie = \frac{10,8}{13,5}\cdot 100\%=80,6\% $Conclusie:De atoomeconomie van deze polymerisatiestap is 80,6%.Gegeven:$m_{beginstoffen} = 10\ kg$$\rm massa\ werkelijke\ opbrengst\ product = 4,3\ kg$Gevraagd:E-factor = ?Formule:$\rm E-factor = \frac{massa\ beginstoffen - massa\ werkelijke\ opbrengst\ product}{massa\ werkelijke\ opbrengst\ product}$Berekening:$E-factor = \frac{10-4,3}{4,3} = 1,32$Conclusie:De E-factor van de testproductie = 1,32.Bij de atoomeconomie ga je uit van een rendement van 100%. Het rendement bij deze reactie is maar 55%. Bij de E-factor neem je het rendement van de reactie mee in de berekening.De productie van PLA is een condensatiepolymerisatie. De esterbinding die ontstaat bij deze reactie kan ook weer verbroken worden door een reactie met water. Het PLA dat wordt gevormd kan dus in de natuur worden afgebroken.