2. Productieproces + Blokschema

Samenvatting voor scheikunde: Productieproces en blokschema’s

We beginnen met een introductie over het productieproces, vervolgens bespreken we de bijkomende onderdelen van productieprocessen en tenslotte zullen we het productieproces in meer detail beschrijven aan de hand van een stappenplan en blokschema’s.

Het productieproces

In een proces bestaan er verschillende onderdelen. Natuurlijk heb je het onderdeel waarbij een chemische reactie daadwerkelijk plaatsvindt. De reactie vindt plaats in een specifieke ruimte, genaamd de reactor. Grondstoffen kunnen, met behulp van hulpstoffen als ondersteuning, een chemische reactie ondergaan, waarbij er producten ontstaan. Het doel van productieprocessen is dan ook om reactieproducten en uiteindelijk eindproducten te verkrijgen uit grondstoffen. Er zijn dus allemaal tussenstappen die uiteindelijk leiden tot het verkrijgen van een reactieproduct of eindproduct. Echter, bij een productieproces is er vaak meer aan de hand dan enkel een simpele chemische reactie. Daar gaan we nu naar kijken. 

Bijkomende onderdelen van productieprocessen

Zoals je eerder hebt geleerd zijn er verschillende soorten chemische reacties. Je hebt bijvoorbeeld een aflopende reactie, waarbij beginstoffen met elkaar reageren. Deze reactie stopt pas als één van de beginstoffen helemaal op is. Een omkeerbare reactie is een reactie waarbij de reactieproducten weer omgezet kunnen worden in de beginstoffen en andersom. De reactie is dus omkeerbaar.

Maar, een groot deel van de chemische processen zijn evenwichtsreacties. Bij een evenwicht is er een situatie gecreëerd waarbij er zonder invloed van buitenaf geen veranderingen meer plaatsvinden. Het is dus in evenwicht als er geen extra handeling wordt verricht. 

Stoffen reageren dus in een evenwichtsreactie met elkaar tot een evenwicht ontstaat, waarbij door middel van omkeerbare reacties de stoffen kunnen worden omgezet tot eindproduct en tevens weer tot beginproduct. In het evenwicht is de snelheid van de heen- en terug-reactie aan elkaar gelijk. Hierdoor zijn de concentraties van de begin- en eindstoffen ook gelijk. De reacties gaan dus heen en weer, maar blijven in evenwicht. 

Hulp-processen

In een fabriek is er zo veel mogelijk reactieproduct, oftewel eindproduct, gewenst. Daarvoor wordt een scheidingsinstallatie gebruikt. Als er een evenwicht is ontstaan, moet er wat van het reactieproduct uit het mengsel van beginstoffen en reactieproducten worden gehaald; we willen namelijk het reactieproduct verkrijgen. Als we dat reactieproduct dus uit het mengsel halen, dan zal dat de evenwichtssituatie verstoren, wat ervoor zorgt dat er meer van het reactieproduct moet worden gemaakt om een nieuw evenwicht te krijgen. Een scheidingsinstallatie scheidt de stoffen dus, zodat het reactieproduct uit het mengsel kan worden onttrokken. Het scheiden zelf is geen chemische reactie, maar helpt bij het chemische proces en het verkrijgen van het reactieproduct.

Een ander onderdeel wat in productieprocessen wel eens wordt gebruikt is een warmtewisselaar. Bij chemische reacties kan er namelijk nog wel eens energie in de vorm van warmte vrijkomen. Dat kan handig zijn in chemisch processen. Deze vrijgekomen warmte kan worden ingezet om stoffen te verwarmen. De warmte uit een exotherm proces kan bijvoorbeeld in een endotherm proces worden gebruikt. Een warmtewisselaar zorgt dan voor deze uitwisseling. Dit apparaat kan de warmte die vrijkomt bij een stof, zoals een gas of vloeistof, opnemen en overdragen naar een andere stof.

Ook kan het een onderdeel in een productieproces zijn om de warmte die vrijkomt bij bepaalde reacties juist tegen te gaan, door bijvoorbeeld koelwater te gebruiken om de situatie af te koelen. Koelwater wordt dus gebruikt om de temperatuur die vrijkomt bij chemische processen te verlagen. 

Het productieproces omschrijven

Goed, nu we hebben gekeken naar extra onderdelen die veel voorkomen bij productieprocessen in de chemische industrie, kunnen we nu kijken naar de meest belangrijke stappen van grote chemische processen, zoals ze bijvoorbeeld in fabrieken verlopen. We gaan de belangrijkste stappen van een productieproces op een rijtje zetten. Vervolgens kijken we hoe we deze stappen nou eenvoudig en helder kunnen weergeven; iets wat erg belangrijk is voor jou om te weten.

De zes stappen van een chemisch proces

De globale onderdelen van een groot chemisch proces kun je beschrijven met de volgende 6 stappen:

Stap 1. De grondstoffen worden aangevoerd en worden vervolgens opgeslagen in bijvoorbeeld tanks.

Stap 2. Voordat de stoffen klaar zijn voor de reactie worden ze voorbewerkt. Voorbewerking is bijvoorbeeld het doseren, mengen, oplossen, verwarmen of samenpersen.

Stap 3. De reactie met de beginstoffen zelf, die plaatsvindt in de reactor.

Stap 4. Nu worden de hoofd- en bijproducten uit de reactie van elkaar gescheiden. Sommige stoffen kunnen hierbij worden gerecycled.

Stap 5. De stoffen worden gezuiverd en er vindt afvalverwerking plaats.

Stap 6. Tot slot moet het eindproduct worden opgeslagen en afgevoerd. 

Dit zijn de belangrijkste stappen van een productieproces. Maar hoe kun je deze stappen van een bepaald proces vervolgens overzichtelijk weergeven?

Het blokschema

Hiervoor wordt vaak een blokschema gebruikt. Een blokschema is een relatief simpele weergave van de ruimtes en de zogenaamde stofstromen die de grondstoffen in een productieproces doorlopen. In het blokschema worden alle stappen in combinatie met pijlen en blokken aangegeven. De stappen zoals we ze net hebben besproken zijn te zien in het voorbeeld in de video. 

Blokschema interpreteren

Je moet ook weten hoe je een blokschema kunt interpreteren als deze jou wordt gegeven. Daarom zullen we nu in de video even kijken naar een voorbeeld. Dit is geen voorbeeld wat je precies hoeft te kennen, maar is erg handig om een blokschema te kunnen begrijpen.

Een vereenvoudigd blokschema voor de productie van levulinezuur met water, pulp en zwavelzuur is hier weergegeven. Het is een onvolledig blokschema in termen van bijproducten, maar voor het interpreteren van de kern van het proces is dat nu even niet belangrijk. Belangrijk om hierbij te weten is dat het doel van een productieproces is om een bepaald eindproduct te verkrijgen. Daarvoor moet het dan gescheiden van de rest van de ingebrachte of ontstane stoffen. In dit voorbeeld willen we als eindproduct levulinezuur overhouden.