H4 Eenheidsoperaties in de productietechnologie Productieprocessen kunnen worden beschouwd als een geheel van mechanische, fysische, thermische en/of (bio-)chemische deelprocessen die in een wel doordachte volgorde samengebracht en aan elkaar gelinkt worden. Ondanks de enorme verscheidenheid van productieprocessen die industrieel uitgevoerd worden voor het voortbrengen van een bijna oneindig aantal producten, steunt industrile productietechnologie in essentie op een beperkt aantal processen en bewerk ingen die slechts weinig of niet aangepast worden in functie van een concrete toepassing. Kennis van eenheidsprocessen en inzicht in de onderliggende basisprincipes en mechanisme is onontbeerlijk om een rol van betekenis te kunnen spelen in een industrileproductieomgeving. Deze principes worden bestudeerd in de proceskunde, terwijl de technische uitvoering van eenheidsprocessen onderwerp en studie uitmaakt van het vakgebiedprocestechniek. Fundamenteel bij de vernoemde eenheidsprocessen is het optreden van fysische transportverschijnselen, die onderverdeeld kunnen worden in 3 types:y y y

Stroming (momentumtransfer): dit betreft het bulktransport van fluida (gassen of vloeistoffen) en van vaste deeltjes o.i.v. een drukverschil (drijvende kracht). Warmetransfer: hiermee wordt de overdracht van warmte van 1 plaats naar een andere plaats overgedragen o.i.v. een temperatuursverschil (drijvende kracht). Massatransfer: dit betreft de netto beweging van een stof in een mengsel van een eerste naar een tweede locatie, waarbij tussen de twee locaties een concentratieverschil (drijvende kracht) van de beschouwde stof heerst. Basismechanismen voor massatransfer zijn moleculaire diffusie (individuele verplaatsing van moleculen) en eddy (of turbulente) diffusie, waarbij een pakket fluidum verplaatst wordt. Massatransfer gebaseerd op dit laatste mechanisme wordt convectieve massaoverdracht of kortweg convectie genoemd. Advectie is dan weer het geleid meebewegen van een stof met een zich verplaatsend stromend bulkmedium.

Het thermodynamisch evenwicht bepaalt tot welke mate de momentum-, warmte-, of massatransfer doorgaat. De kinetiek als gevolg van de heersende weerstand, de snelheid bepaalt waarmee het transportverschijnsel doorgaat. Er moet rekening gehouden met zowel de wet van behoud van energie maar ook met de wet van behoud van massa . Deze wet drukt uit dat massa niet kan gecreerd noch kan vernietigd worden (uitgezonderd nucleaire of atomaire reacties). Vandaar dat de totale massa van alle materialen die een proces binnen komen, dient gelijk te zijn aan de totale massa van alle uitgaande materiaalstromen plus de massa van materialen die accumuleren of achterblijven in het proces. In het merendeel van de gevallen treedt er geen accumulatie van materialen op in een proces; waardoor geldt: totale massa inputstromen = totale massa outputstromen. Dit soort processen worden steady-state processen genoemd. In het gavel er geen chemische reactie optreedt tijdens het proces, kunnen materiaal input- en outputstromen uitgedrukt worden in massahoeveelheden of molhoeveelheden.

1

Het opstellen van correcte materiaalbalansen geschiedt a.d.h.v. volgende stappen:y y y y

Maak een schematische voorstelling van het proces. Schrijf de optredende chemische vergelijkingen neer (indien van toepassing). Kies een kwantitatieve eenheid voor het uitvoeren van berekeningen Meestal wordt . hier een specifieke hoeveelheid van n van de processtromen geselecteerd . Stel de materiaalbalans op a.d.h.v. de weergegeven input- en outputstromen. Hierbij kan zwel een totale materiaalbalans opgesteld worden of een materiaalbalans voor elk afzonderlijke component.

Opslag en transport van gassen en vloeistoffen Omwille van de grote volumevereisten en hoge kosten, wordt de opslag van gassen op industrile productiesites zoveel mogelijk vermeden. Waar nodig worden gassen opgeslagen onder vloeibare vorm door afkoelen of door comprimeren. Kleine hoeveelheden gas worden in gecomprimeerde toestand opgeslagen en vervoerd in stalen gasflessen. Door hoge drukken toe te passen kan in een fles ongeveer 150x zoveel gas opgeslagen worden als de inhoud van de fles bedraagt. Vloeistoffen worden meestal opgeslagen in cilindrische tanks (voorzien van niveau en temperatuurregelaar). Wanneer een tank een vluchtige vloeistof bevat kunnen grote verliezen optreden. Verdamping kan verminderd worden door boven het vloeistofoppervlak een drijvend dak te plaatsen. Hetgevaar voor brand en explosie wordt verminderd door boven het vloeistofniveau een inert (stikstofkussen) te plaatsen. Het transport van gassen en vloeistoffen gebeurt via pijpleidingen die een verbinding vormen tussen opslagtanks onderling of tussen opslagtanks en procesapparatuur. Voor het transporteren van gassen en vloeistoffen moet er voor het overwinnen van druk- en hoogteverschillen, en wrijvingsverliezen mechanische energie aangewend worden. Bij vloeistoffen wordt dit geleverd door pompen en bij gassen door ventilatoren of compressoren. Bij centrifugaalpompen wordt door de motor geleverde energie vooral omgezet in kinetische energie, wat resulteert in hoge snelheden in de pomp. Dit soort pompen zijn veruit de meest gebruikte pompen voor industrile doeleinden. In centrifugaalpompen wordt energie naar de vloeistof overgedragen door een centrifugale actie van de waaier die bestaat uit een aantal vinnen van uiteenlopende vorm en kromming (spiraalvormige waaier). De vloeistof treedt axiaal naar binnen ter hoogte van de waaieras en wordt radiaal in het langzaam verbredend pomphuis naar buiten tot weggeslingerd. Op die manier wordt een continue vloeistofstroom geleverd. Bovendien kunnen deze pompen door hun hoge snelheid rechtstreeks aan een elektrische motor gekoppeld worden. Belangrijke karakteristieken zijn de geometrie van de pomp, alsook de dichtheid en vooral de viscositeit van de vloeistof. Als alternatief voor centrifugaalpompen kunnen ook schroefpompen gebruikt worden, voornamelijk wanneer grote debieten moeten gehaald worden. Schroefpompen duwen in tegenstelling tot centrifugaalpompen de vloeistof axiaal weg. Bij verdringerpompen wordt door de motor geleverde energie vooral omgezet naar potentile energie. Dit resulteert in een hoge druk en lage snelheid in de pomp. Hierin kunne verschillende types onderscheiden worden: - Alternerende zuiger- en plunjerpompen: door het verplaatsen van een zuiger of plunjer aangesloten op het pomphuis wordt een alternerende verandering van het inwendig volume van dit pomphuis verkregen.

2

- Roterende pompen: dit soort pompen verplaats fluida d.m.v. in elkaar passende tandraderen die roteren in een stator. Deze tandradpompen zijn nagenoeg pulsvrij en kunnen ze ook gebruikt worden voor zeer viskeuze vloeistoffen. - Peristaltische pomp: hier wordt gebruik gemaakt van flexibele leidingen die alternerend dichtgeknepen worden over een bepaalde lengte door een aantal rollers die op een rotor geplaatst zijn. Naarmate de rollers voortbewegen, drukken zij de leiding samen en zuigen hierbij vloeistof aan langs de ene kant van de roller, terwijl zij vloeistof uit de leiding perst aan de andere kant. Er treedt geen enkel contact op tussen vloeistof en pompmechaniek. Het heeft wel een pulserend karakter. Bij de keuze van een geschikte pomp moet er vooreerst voor gezorgd worden dat de pomp het gewenste debiet kan leveren over de gewenste afstand. Vervolgens moet rekening gehouden worden met de aard en de eigenschappen van de vloeistof. Centrifugaalpompen zijn goedkoper, duurzamer en robuuster maar ze zijn vrij inefficint om viskeuze vloeistoffen te verpompen. Het creren van het drukverschil dat nodig is om gassen te transporteren, wordt bekomen door het gebruik van ventilatoren of compressoren. De werking van ventilatoren berust op de centrifugale kracht die door propellers en schoepen wordt uitgeoefend. De invoer van het gas geschiedt axiaal en de afvoer radiaal. Wegens de dichtheid van gassen is de drukverhoging slechts gering maar toch voldoende voor een beperkte gasverplaatsing. Een grotere drukopbouw wordt geleverd door compressoren die voor wat betreft het werkingsprincipe en constructie, sterk gelijkend zijn aan vloeistofpompen. Ze worden dan ook nagenoeg op dezelfde manier ingedeeld: men onderscheidt centrifugaalcompressoren en verdringinscompressoren, gebaseerd op de werkingsprincipe eerder aangehaald. Opslag en transport van vaste stoffen De opslag van vast granulair materiaal gebeurt typisch in de buitenlucht of in silo s. Deze silo s kunnen opgetrokken worden in beton, staal, aluminium of in kunststof. Bij het ontwerp van de silo dient o.a. rekening gehouden te worden met de hellingshoek of taludhoek van het op te slaan materiaal. Dit om de benodigde grondoppervlakte te berekenen en/of de maximaal toegelaten druk op de wanden van de silo s niet te overschrijden. Er moet rekening gehouden worden met de vochtigheid en de temperatuur omdat dit van belang is voor de kwaliteitsbehoud van de opgeslagen stoffen en/of omwille van milieu- of veiligheidsaspecten. Mechanisch transport: o.a. met behulp van horizontale of verticale transportband, transportschroef, trilpijp, wentelgoot, Pneumatisch transport (enorm flexibel, weinig bewegende delen): hier gebeurt de verplaatsing van de vaste bulkstof door middel van een gas, gewoonlijk lucht. Het materiaal moet wel kunnen stromen en mag niet te zwaar of te groot zijn. Er kunnen beschadigingen van de buizen en deeltjes voorkomen. Men moet ook het gas en de vaste deeltjes weer uit elkaar halen. (Grote hoeveelheid energie vereist). Hydraulisch transport: de verplaatsing wordt verkregen d.m.v. een vloeistof. Daar de bezinkingssnelheid in water relatief gering is in vergelijking tot deze in lucht, is hydraulisch transport aangewezen voor zeer grote transport. Vaak in combinatie met een wasproces.

3

Warmteoverdracht is n van de meest verspreide fenomenen. Warmteoverdracht is een energieoverdracht ten gevolge van een temperatuursverschil, gebaseerd op 3 processen: geleiding, convectie en straling. Bij warmtegeleiding of conductieve warmteoverdracht gebeurt er inwendige energieoverdracht door uitwisseling van kinetische energie tussen de moleculen. De energiestroom gaat hierbij van hoog energetische naar laar energetische moleculen, van hoge naar lage temperatuur. Indien een plaatje massief materiaal verondersteld wordt met de dikte x, oppervlakte A, en waarvan de ene zijde op een uniforme temperatuur T1 staat en de andere zijde op een , uniforme temperatuur T2 ; dan bedraagt warmtestroom zijde de warmtehoeveelheid Q die per tijdseenheid t doorheen het plaatje stroomt:

T2 T1

[W].

De evenredigheidsconstante wordt de warmtegeleidingscofficint van het medium genoemd en is een materiaalconstante. Wordt de warmtestroom uitgedrukt per eenheidsoppervlakte, dan bekomen we de warmestroomdichtheid. Convectieve warmteoverdracht in een fluidum wordt veroorzaakt door beweging of verplaatsing van fluidumpakketten. Bij gedwongen convectie wordt deze veroorzaakt door een externe kracht (bv. Ventilator), terwijl vrije of natuurlijke convectie veroorzaakt door dichtheidsverschillen (gevolg van temperatuursverschillen) in het medium. Convectieve warmteoverdracht doorheen een gas of vloeistof langs een oppervlakte A wordt beschreven door de convectieve oppervlaktewarmteoverdrachtscofficint hc :

hc

Met T de gemiddelde temperatuur van het fluidum en Tw de temperatuur van het oppervlak (wand) waarmee het fluidum in contact is. In de meeste toepassingen waarbij warmteoverdracht in gassen of vloeistoffen optreedt, speelt convectie een rol, naast geleiding. Zuivere warmtegeleiding in een fluidum komt praktisch niet voor. Naast convectie kan warmteoverdracht in een fluidum ook door elektromagnetische straling plaatsvinden. Ieder lichaam stuurt straling uit. De hoeveelheid energie die uitgestraald wordt is afhankelijk van de temperatuur en van de aard van het oppervlak van het lichaam. Deze warmteoverdracht kan eveneens beschreven worden door eenstralingsoppervlaktewarmteoverdrachtscofficint hs : Warmestraling treedt dikwijls samen op met convectie warmteoverdracht. De totale oppervlakte warmteoverdrachtscofficint h wordt bijgevolg dikwijls uitgedrukt als de som van een convectie- en een stralingscomponent: h = hc h s . Bij vacum komt enkel de stralingscomponent voor; bij vloeistoffen enkel de convectiecomponent; en bij gassen kunnen beide voorkomen. Doo het feit dat r in vele industrile warmtebehandelingen en koeloperaties conductieve en convectieve en/of straling warmteoverdracht gelijktijdig voorkomen, wordt vaak gebruik gemaakt van eenglobale warmtedoorgangscofficint of globale warmteoverdrachtscofficint. De globale warmteoverdrachtscofficint K zal dus afhankelijk zijn van de dikte en geledingscofficint van de wand enerzijds en van de aard, snelheid en viscositeit van de stromende media anderzijds. [W].

T1

hs

w

[W].

w

T4 [W] met

xa hi h0

4

Warmteoverdracht apparatuur In de meeste industrile processen gebeurt warmteoverdracht tussen twee fluida door warmtewisselaars. Hierbij komen de koude en warme fluida niet in direct contact met elkaar, ze worden gescheiden door een vlakke wand of buisvormige oppervlakken. De belangrijkste warmteoverdracht processen zijn convectie langs beide zijden van de wand/oppervlak en conductie doorheen de wand/oppervlak. Warmtewisselaars kan men aantreffen in verschillende configuraties. Het eenvoudigste type is de tubulaire warmtewisselaar, bestaande uit een buis die concentrisch geplaatst is in een grotere buis. en fludum stroomt in de binnenste buis, het andere fludum in de ruimte tussen twee buizen. In vele gevallen wordt gebruik gemaakt van meerdere kleine buiezen die omgeven zijn door n grotere buis. Dit soort configuratie wordt een Multi-tubulaire of Shell-andtube warmtewisselaar genoemd. Een alternatieve configuratie is de platenwisselaar. Deze bestaat uit een aantal parallele, roestvrij stalen platen, dicht bijeengepakt in een raamwerk. De opeenvolgende platen zijn zodanig geconstrueerd en doorboord datelke plaat telkens een scheidingswand vormt tussen de twee verschillende fluida. De ruimte tussen twee aangrenzende platen waarin de fluida stromen bedraagt gewoonlijk een 5-tal mm. Ook hier worden vaak speciale patronen in de platen gedrukt om de turbulentie te verhogen en aldus een betere warmteoverdracht te bekomen. De capaciteit kan eenvoudig worden verhoogd door een toename van het aantal platen waardoor het warmteuitwisselingsoppervlak wordt vergroot. Bij dit proces kan er volgens de wetten van de thermodynamica ook mechanische arbeid geleverd worden: gedeeltelijke omzetting van thermische energie naar mechanische energie. Volgens dit principe werken warmtemachines (thermische motoren) zoals verbrandingsmotoren. Het omgekeerde proces, waarbij warmte onttrokken wordt van lagere temperatuur en afgegeven wordt op een hogere temperatuur, kan volgens de tweede van de thermodynamica niet spontaan optreden. Het vereist de input van arbeid. Naargelang de toepassingen spreekt men over een koelmachine of een warmtepomp. Net als een warmtepomp bestaat ook een koelmachine in essentie uit 4 hoofdonderdelen, met elkaar verbonden via een kringproces:y y y y

De verdamper: in deze eerste warmtewisselaar wordt koelvloeistof omgezet naar de gasfase en onttrekt daarbij warmte uit de koelkamer. De compressor: hierin wordt het gas samengedrukt waardoor de temperatuur stijgt tot een temperatuur die hoger is dan deze van de omgeving. De condensor: het opgewarmde gas wordt in deze tweede warmtewisselaar omgezet naar de vloeistoffase waarbij warmte aan de omgeving wordt afgestaan. Het expansievat: via een expansieventiel ondergaat de vloeistof tenslotte een expansie waardoor druk en temperatuur afnemen en de kringloop zich kan herhalen.

5

Mengen Mengen is het samenvoegen en zo gelijkmatig mogelijk in elkaar verdelen van deeltjes van twee of meer schillende stoffen (vast & vast) of fasen (vast & vloeibaar) om een zo hoog mogelijk mate of benadering van homogeniteit te bekomen. Het bevorderen van een reactie of het versnellen van de warmteoverdracht tussen stoffen tijdens en door het mengen. Het bekomen van een zo homogeen mogelijk gemengd eindproduct van verschillende stoffen in een welbepaalde gewenste verhouding. Middel daartoe is het t.o.v. elkaar laten bewegen van de verschillende stoffen door vrije of gedwongen convectie. De moeilijkheidsgraad van het mengproces hangt af van de onderlinge samenhang van de materiedeeltjes. Deze is gering tussen gassen, laag-viskeuze vloeistoffen en grove poeders; en is groot tussen viskeuze vloeistoffen, plastische stoffen en fijne poeders; en is groot tussen viskeuze vloeistoffen, plastische stoffen, en fijne poeders. Het verschil tussen de samenstellede delen kan veroorzaakt worden door een verschil in aggregatietoestand, viscositeit, dichtheid, grootte of vorm van de samenstellende stoffen. Hoe groter het verschil tussen de eigenschappen van de te mengen stoffen, des te moeilijker verloopt de menging of des te sneller verloopt de ontmenging. Er kan een onderscheid gemaakt worden tussen homogene mengsels die spontaan vormen door moleculaire diffusie of natuurlijke convectie, maar waarvan het proces kan versneld worden door mechanische krachten die een eerder lage energie input vergen; en heterogene mengsels die niet spontaan vormen en die dus veelal een aanzienlijke inbreng van mechanische krachten vereisen en desgevallend ontmengen of segregeren. Er bestaan verschillende vast/vloeistof/gas combinaties. Roeren kan gedefinieerd worden als het in beweging zetten van materie.

Mengen van gassen met gassen: Dit is een vrij makkelijk proces dat gewoonlijk wordt uitgevoerd door het onder hoge snelheid injecteren van n gas in een tank die het andere gas bevat. Een alternatief bestaat erin turbulente stromingen te induceren door gebruik van ventilatoren. Mengen van gassen met vloeistoffen: Het vloeistof/gas mengproces is zelden een doel op zich, maar eerder een hulpmiddel bij het verwezenlijken van bewerkingen of chemische reacties die een groot vloeistof/gas contactoppervlak vereisen. Uitzonderingen hierop zijn te vinden in de voedingsindustrie. Men kan een onderscheid maken tussen: - Vloeistof in gas dispersies: De bedoeling van het mengen (dispergeren) van vloeistoffen in gassen is het creren van een groot vloeistofoppervlak door het verstuiven of vernevelen van bij voorkeur kleine vloeistofdruppels in een gasvolume. - Gas in vloeistof dispersies: kan bekomen door het gas via een gesinterde plaat in de vloeistof te sturen, of door het gas met een roerder in de vloeistof te mengen. Er wordt naar gestreefd om zo klein mogelijk gasbellen te vormen die bovendien zo goed mogelijk verspreid zijn in het vloeistofvolume. Mengen van gassen met vaste stoffen: De menging van vaste stoffen in gassen staan centraal bij twee voorname eenheidsoperaties: fludizatie en pneumatisch transport. Het principe van gas-vaste stof fludizatie berust op het opwaartse richting laten stromen van een gas doorheen een kolom van vast granulair materiaal. Een fludizatiekolom bestaat uit een verticaal meestal cylindrisch vat met aan de onderkant een poreuze of geperforeerde boedemplaat of rooster. Bij het opvoeren van de gassnelheid zal het gas wrijving ondergaan met het granulair materiaal en hierdoor onderhevig zijn aan drukval (opwaartse gasdruk bovenaan is kleiner dan de opwaartse gasdruk onderaan het bed). De hoogte van het bed 6

blijft initieel nagenoeg constant. Bij het verder opvoeren van de gassnelheid ontstaat een situatie waarin de deeltjes elkaar nog net raken. De partikellaag is nu gexpandeerd tot een toestand waarin alle partikels omgeven zijn door gas. Tegelijkertijd verwerven de partikels een beperkte bewegingsvrijheid. Men noemt deze toestand een rustig, stabiel of homogeen gefludizeerd bed. Bij verdere toename van de gassnelheid blijft de drukval constant, het partikelbed expandeert, en de beweging van de partikels neemt heftig toe. Vanaf een bepaalde snelheid (bellenpuntsnelheid) gaat het bed over in een dichte fase, bestaande uit gexpandeerd poeder, en een bellenfase, bestaande uit nagenoeg poedervrije holtes in de dichte fase. Deze holtes stijgen op in het bed en hebben het karakter van gasbellen die opstijgen in een vloeistof. Er ontstaat aldus een turbulent, instabiel of heterogeen gefludizeerd bed. Wanneer de snelheid nog verder opgedreven wordt, wordt het bed zeer sterk verdund en ontstaat de situatie van pneumatisch transport. Mengen van vloeistoffen met vloeistoffen De menging van twee vloeistoffen kan verwezenlijkt worden door convectiestromingen van natuurlijke of kunstmatige aard. Belangrijk hierbij is de onderlinge oplosbaarheid en de viscositeit van de vloeistoffen. Indien deze laatste niet al te graat is, kan gebruik gemaakt worden van een soort hoge druk kraan om een sneller stromende vloeistof te laten binnendringen in een stationaire of traag bewegende vloeistof. Meer klassiek wordt evenwel gebruik gemaakt van sneldraaiende mechanische roerders in een mengtank. Er bestaat een turbineroeder (vlakke schijf met hierop een aantal bladen gemonteerd) en de schroefroeder (propeller, meestal bestaande uit drie gebogen bladen). In de mengtank kunnen eventueel tussenschotten geplaatst om te verhinderen dat de gehele inhoud meedraait en er geen mening plaatsvindt. Bij het mengen van hoogviskeuze vloeistoffen is een ander mengapparatuur vereist, zoals een anker- of een bladroederder, of helicale lint- of schroefroerders. Hun werking is gesteund op een groot roerbladoppervlak waarbij de roerder bij een relatief lage snelheid ronddraait. Mengen van vloeistoffen met vaste stoffen Dit proces wordt in grote mate bepaald door de verhouding waarin de componenten samengebracht worden alsook door de oplosbaarheid van de vaste stof in de vloeistof en de stromingseigenschappen van de te mengen stoffen. Naargelang de graad van homogeniteit spreekt men over een oplossing of een suspensie. De mengsels variren over een zeer breed gamma van veel vaste stof met weinig vloeistof tot weinig vaste stof met veel vloeistof . In het eerste geval bekomt men een goede menging door de vloeistof te verstuiven over een voorbij schuivende dunne laag vaste stof, of in een gefludizeerd bed van vaste stof. Het verstuiven van vloeistoffen gedurende het mechanisch mengen van vaste stoffen is eveneens een mogelijkheid. In het tweede geval kan gebruik gemaakt worden van de hierboven vloeistof-vloeistof mengapparatuur op voorwaarde dat de vaste deeltjes niet te groot zijn en de vloeistof niet te viskeus is. In tussenliggende gevallen, voor het mengen van hoog viskeuze plastische producten als pasta en deeg, kan gebruik gemaakt worden van zware mengers of kneedmachines. Deze laatste bestaan uit twee Z-vormige kneedarmen die tegen elkaar indraaien. Mengen van vaste stoffen met vaste stoffen Bij baste stoffen zijn volgende eigenschappen belangrijk voor het mengproces: deeltjesgrootte, deeltjesgrootteverdeling, dichtheid, vorm en aard van het oppervlak, het vochtgehalte en de stromingseigenschappen. De menging kan gebeuren door het laten 7

samenvloeien van verschillende pneumatische transportleidingen, door het simultaan ledigen van silo s op eenzelfde transportband, of door de toediening van meerdere stoffen aan een gefludizeerd bed. Daarnaast kan ook gebruikt worden gemaakt vanmengtrommels (cilindrisch, al dan niet gekanteld, draait rond as), eventueel uitgerust met keerschotten; alsook verticale of horizontale schroef- of lintmengers met diverse geometrien. Apparatuur die instaat voor deeltjesverkleining (pletten, verpulveren) zorgt tevens vaak voor een goede onderlinge menging van de verkleinde deeltjes. Er kan ook gebruik gemaakt worden van ultrasone menging (geluidstrillingen), rondpompinrichtingen en vibratorroerders (op een neer bewegende geperforeerde platen). Scheidingsprocessen Scheidingsprocessen hebben als doel voedingsstromen (uitgangsproducten) op te splitsen in meerdere afzonderlijk gewenste deelstromen en/of eindproducten. De voeding (feed) is een mengsel dat zowel gasvormig, vloeibaar of vast kan zijn. Ook iedere productstroom kan om het even welke fasetoestand hebben. Voor het scheiden van een homogeen mengsel is er energie nodig. Dit volgt uit het feit dat het vormen van een homogeen mengsel een natuurlijk proces is dat gepaard gaat met een toename van entropie. Het scheidingsproces is gebaseerd op basis van 1 van de 5 algemene mechanismen. (Zie p90!) Het meest voorkomende type is de creatie van een tweede fase, die verschillend is van de fase waarin de voeding voorkomt. Een vloeistofvoeding kan gedeeltelijk omgezet worden in damp. Vaak vergt dit aanzienlijke hoeveelheden energie. Het tweede type is het toevoegen van een tweede fase (solvent of mass separating agent (MSA) die selectief stoffen uit de voeding opneemt. Een derde type proces is gebaseerd op een fysische barrire (een membraan) waar doorheen een selectief transport plaatsvindt. Een vierde type proces waarbij vaste deeltjes (partikels) worden toegediend om een scheiding te realiseren. Tenslotte kunnen ook externe gravitaire, thermische of elektrische krachtvelden aangelegd worden voor scheiding van stoffen. Mechanisch-fysisch scheidingsprocessen Behouders een aantal uitzonderingen kan men stellen dat heterogene mengsels gescheiden worden met behulp van mechanische-fysische scheidingsprocessen. Vele van deze processen zijn gebaseerd op het gebruik van een fysische barrire (zeven, filteren) of op het aanleggen van een gravitair, centrifugaal of elektromagnetisch krachtveld (bezinking, centrifugatie, cycloon, magnetische en elektrostatische scheiding). Door het uitvoeren van drukarbeid is het eveneens mogelijk een tweede fase te creren (persen); of een tweede fase kan toegediend worden om de scheiding te bewerkstelligen (flotatie). Mechanisch-fysische scheiden van vaste stoffen Zeven is reen relatief eenvoudige en goedkope methode voor het scheiden van vaste stoffen in verschillende klassen op basis van hun verschil in deeltjesgrootte. Voor grote deeltjes wordt deze eenheidsoperatie ook aangeduid met de term triren. De zeefopeningen hebben uniforme afmetingen en laten onder invloed van gravitaire krachten transfer toe van kleine vaste deeltjes, terwijl grotere vaste deeltjes weerhouden worden op de zeef. Het zeefoppervlak kan bestaan uit staven op enige afstand van elkaar gemonteerd, geperforeerde platen, geweven metaaldraden (gaas), geweven zijde, of roterende rollen voorzien van ribben die tegen elkaar met verschillende snelheid indraaien. Moeilijkheden die bij het zeven kunnen optreden zijn verstopping van de zeefmazen, wat kan vermeden worden door het aanwenden van een luchtstroom. De eenvoudigste apparatuur bestaat uit vaststaande of statisch zeven. Het zeefproces wordt bevorderd door het zeefoppervlak te laten bewegen en/of onder een bepaalde helling monteren. 8

y

y

y

Trommelzeven: zijn licht gehelde roterende cilinders die bestaan uit geperforeerd metaal of uit gaas. Meestal bestaan ze uit verschillende in serie geplaatste secties elk met een verschillende zeefopening. Een alternatieve configuratie zijn de concentrische trommelzeven, waarbij meerdere cilindervormige zeven elkaar omringen. Horizontaal bewegende zeven: bestaan meestal uit meerdere boven elkaar geplaatste zeven die met een matige snelheid heen en weer of cirkelvormig bewegen in een horizontaal vlak. Bij grotere deeltjes kan er ook gebruik gemaakt worden van trieerapparatuur bestaande uit opeenvolgende horizontaal bewegende rolbanden elk voorzien van openingen van verschillende grootte. Verticaal bewegende zeven: ook hier kunnen uit meerdere zeven boven elkaar geplaatst worden die elk een weinig in verticale richting bewogen worden via schuld- of trilbewegingen. De verticale beweging zorgt er tevens voor dat deeltjes die de zeefopening blokkeren, verwijderd worden. (Zie p92!)

Een tweede mogelijkheid om mengsels van poedervormige vaste stoffen van elkaar te scheiden is door gebruik te maken van hun verschil in bevochtigbaarheid. Dit is het scheidingsprincipe waarop flotatie is gebaseerd. De te scheiden vaste stof deeltjes worden in een waterige slurry (waaraan de nodige chemicalin toegediend werden) gebracht, waarna luchtbellen doorheen deze slurry geblazen worden. De vaste stofdeeltjes met grote affiniteit voor water (hydrofiele deeltjes) zullen bij voorkeur in de waterfase blijven, terwijl de hydrofobe deeltjes zich bij voorkeur in de opstijgende luchtbellen positioneren en bovenaan de vloeistof een soort schuim vormen die vervolgens kan afgescheiden worden. (Zie p93!) Voor het scheiden van vaste stoffen kan eveneens gebruik gemaakt worden vanverschillen in magnetische (p93) en elektrisch geleidende eigenschappen (p94). Met deze laatste techniek kunnen o.a. elektrisch geleidende en niet-geleidende stoffen van elkaar gescheiden worden. Mechanisch-fysische scheiden van vaste stoffen en fluida Filtratie: Deze scheidingsmethode is gebaseerd op verschillen in deeltjesgrootte van de te scheiden componenten die doorheen een poreus permeabel medium geleid worden. In tegenstelling tot zeven, wordt filtratie echter niet gebruikt om een poeder- of korrelvormig materiaal in verschillende fracties van deeltjesgrootte te scheiden, maar om het partikelig materiaal af te scheiden uit een fluidum (gas of vloeistof). Het filtermedium weerhoudt het merendeel van de vaste deeltjes, terwijl het gas of de vloeistof doorheen de filter lopen o.i.v. een drukverschil in de ruimte voor en na het filtermedium. Meestal wordt gebruik gemaakt van overdruk of onderdruk. Het fluidum dat door de filter loopt, wordt het filtraat genoemd. De weerstand wordt bepaald door het filtermedium en is afhankelijk van de maaswijdte van het filtermedium, de aard (klevering, hard) en grootte van de te filtreren stof, de dikte van de filterkoek (vaste deeltjes die tegengehouden worden) en de viscositeit van het filtraat. De doelstelling kan zijn om de vaste deeltjes te winnen uit het fluidum en/of om de vloeistof te klaren. Als filtermedium kunnen verschillende soorten materialen worden gebruikt: - grofkorrelig los gestapeld materiaal - platen van keramisch materiaal, gesinterd glas/brons, poreuze rubber of kunststof-> geperforeerd materiaal - weefsels van textiel of metaaldraden - membranen, al dan niet elektrisch geladen

9

Afhankelijk van de diameter van de te weerhouden deeltjes onderscheidt men: (m= 10 6 m)y y y y y

Conventionele filtratie van grof of fijn partikelig materiaal (diameter 10 m-1mm) Microfiltratie van micropartikelig materiaal (diameter 0,1-10m) Ultrafiltratie van macromoleculair materiaal (diameter 10-100nm) (nm = 10 9 m) Nanofiltratie (diameter 1-10 mn) Hyperfiltratie of omgekeerde osmose van opgelost ionair materiaal (diameter 0,1-10 nm)

In termen van procesvoering, onderscheidt men naargelang het filtermedium en de deeltjeskarakteristieken: Zeeffiltratie: als filtermedium wordt een semi-permeabel vlak of buisvormig membraan gebruikt met heel kleine openingen voor het afscheiden van kleine deeltjes uit een fludum (micro- tot ultrafiltratie). Het membraan werkt als een zeef, zodat alle deeltjes kleiner dan de porindiameter van het membraan o.i.v. een aangelegd drukverschil doorgelaten worden, terwijl de grotere deeltjes door het membraan worden tegengehouden. Een gekende toepassing van dit proces is hyperfiltratie of omgekeerde osmose, een proces om in water opgeloste stoffen (zout) af te scheiden. Tegen het osmostische kracht in wordt een druk uitgeoefend, waardoor water doorheen het membraan verplaatst wordt ( ermeaat = p filtraat) en de opgeloste stoffen aan de voedingszijde van het membraan achterblijven (retentaat). Dieptefiltratie: het filtermedium bestaat uit een grofkorrelig los gestapeld materiaal over een diepte van 0,3 tot 1,5 m. De deeltjes hechten zich door van der Waals en/of elektrostatische aantrekkingskrachten vast aan de vaste oppervlakken in de kanalen van capillairen van het filterbed. Dit type filtratie wordt vaak toegepast bij het klaren van verdunde dispersies zoals bij het klaren van water of dranken. Koekfiltratie: de filtrerende werking van het filtermedium wordt overgenomen door de filterkoek. De deeltjes worden dus weerhouden aan het oppervlak van het filtermedium. De structuur en de porositeit van de filterkoek worden bepaald door de grootte, de vorm, de concentratie en de samendrukbaarheid van de deeltjes, alsook door de filtratiedruk,- duur en snelheid.

Enkele voorbelden zijn: i. Filtreren met gravitaire druk: het typevoorbeeld is de zandfilter, die bestaat uit een cilindrische tank voorzien van een zeefbodem waarop respectievelijk lagen grof grind en zand worden aangebracht. Deze filter wordt voornamelijk gebruikt voor het reinigen van drinkwater. Het water wordt bovenaan de filter toegediend en stroomt van boven naar onder doorheen het zandbed. Alle onzuiverheden die groter zijn dan de porin tussen zandkorrels worden tegengehouden; kleinere deeltjes stromen met het water mee doorheen het bed. Na verloop van tijd wordt de bovenlaag helemaal ondoordringbaar en moet de filter gereinigd worden door terugspoelen. Het reinigen van de filter geschiedt door zuiver water in de tegenovergestelde richting te laten stromen (back-washing).

10

ii.

iii.

iv.

v.

Filtreren met overdruk: gebruikte configuraties zijn: - Platenfilters: bevatten een reeks geperforeerde holle platen afgedekt met een filterdoek. Deze platen zijn allen op een gemeenschappelijke as gemonteerd en zijn volledig ingesloten in een drukbestendige behuizing. - Filterpersen of kamerfilters: filterpersen bestaan uit opeenvolgende platen en kaders die van elkaar gescheiden zijn door een filterdoek. Aldus worden kamers gevormd waarin de filterkoek zich opstapelt. (Zie p96) Zakkenfilters: worden gebruikt voor het verwijderen van vaste deeltjes uit een gas. Het gas wordt onderaan toegevoegd en de vaste stof wordt vastgehouden a de binnenzijde van de an zakken. Het stof wordt periodiek mechanisch verwijderd door lucht in tegenstroom te blazen. (zie p97) Filtreren met onderdruk (vacumfilters): vacumfilters werken continu en bij een gering en nagenoeg constant drukverschil. Ze zijn zeer geschikt om sterk samendrukbare vaste stoffen te filtreren, daar deze bij lage druk moeten gefiltreerd worden. Een voorbeeld van filtreerapparatuur waarbij de te filtreren vloeistof door een onderdruk door de filter wordt gezogen is een trommelfilter. Filtreren met een centrifugale druk: zie later

De keuze voor een type apparaat wordt bepaald door de eigenschappen van het te filtreren mengsel, het te verwerken volume, de waarde van het vast gedeelte of van het filtraat, de nood aan filterreiniging, en de kostprijs voor de apparatuur en werkingskost. Bezinking Bezinking of sedimentatie is een scheidingstechniek gebaseerd op verschillen in deeltjesgrootte en dichtheid. Een essentieel verschil tussen sedimentatie en filtratie is dat er bij sedimentatie een dichtheidsverschil moet zijn tussen de deeltjes en de vloeistof, wat niet het geval is bij filtratie. De drijvende kracht die een vast deeltje in een vloeistof doet bezinken is immers gelijk aan het verschil tussen de neerwaartse zwaartekracht Fg van het deeltje en de opwaartse Archimedeskracht FA

FnettoMetv

Fg

FAf

v

f

en

de dichtheid van respectievelijk het baste deeltje en het fluidum (constant); g de

zwaartekrachtversnelling, en V het volume van het vaste deeltje. De wrijvingskracht tussen het deeltje en het fluidum wordt hier eenvoudigheidshalve buiten beschouwing gelaten. De bezinkingssnelheid en daarmee samengaand de manier/apparatuur waarop/waarmee het bezinkingsproces wordt uitgevoerd is afhankelijk van het verschil in dichtheid van de vaste deeltjes en de deeltjesgrootte, de viscositeit van de vloeistof, en de gewenste graad van sedimentatie. Hoe kleiner de deeltjes en hoe viskeuzer de vloeistof, des te langzamer zal het bezinkingsproces verlopen. Door toediening van chemische stoffen, kunnen deeltjes zich in een losse structuur aan elkaar gaan hechten via flocculatie of vlokvorming, waardoor het bezinkingsproces versneld wordt. Bezinking in vloeistoffen wordt in zijn meest eenvoudige vorm uitgevoerd in een decantatiecilinder met konische bodem, waar het bezinksel discontinue wordt verwijderd zonder de vloeistoflaag te verwijderen. In een continue systeem wordt bezinking typisch uitgevoerd in een vrij ondiepe, ronde tank met een relatief groot oppervlak, waarvan de bodem een trechtervormige geometrie heeft. Bezinking kan ook toegepast worden voor het scheiden van twee niet-mengbare vloeistoffen (olie-water).

11

Om vaste deeltjes onderling van elkaar te scheiden via bezinking in een (hulp)vloeistof, dienen de vaste deeltjes ofwel een verschil in dichtheid te hebben, ofwel een verschillende deeltjesgrootte te hebben. Een veelvuldig gebruikte apparatuur hierbij is de stroomgoot, bestaande uit een serie van na elkaar geplaatste bezinkingstanks met een steeds groter wordend oppervlak en volume. Daardoor neemt de stroomsnelheid steeds af en kunnen steeds kleinere of lichtere deeltjes bezinken. (Zie p99) Centrifugatie en cyclonen Deze scheidingsprocessen maken gebruik van de centrifugale kracht om vaste stofdeeltjes te scheiden van vloeistoffen of gassen, of om niet-mengbare vloeistoffen onderling te scheiden. Bij centrifugatie wordt het te scheiden mengsel in een roterend vat (centrifuge) gebracht. Wanneer een deeltje met massa m een omtreksnelheid v c om een as roteert op een afstand van r van die as, dan werkt op dit deeltje een centrifugale kracht in:

2 vC

c

met vc =

.r = 2 . .N .r

Hierin stelt N het toerental voor (aantal omwentelingen per seconde) en = 2 . .N = de hoeksnelheid. Uit bovenstaande vergelijking volgt dat zwaardere deeltjes door deze centrifugale kracht naar buiten geleid worden. De versnelling en dus kracht waarmee deze centrifugale beweging plaatsvindt wordt vaak relatief bekeken ten opzichte van de zwaartekrachtv ersnelling. De verhouding tussen beide wordt gegeven door de G-waarde:

Fc Fg

Deze G-waarde is een maat voor hoeveel keer sneller een deeltje uit een fluidum afgescheiden wordt in een centrifuge in vergelijking met een gewone gravitaire bezinking. Principieel kunnen 2 soorten centrigues onderscheiden worden: dichtewand centrifgues (verbeterde bezinkingsapparatuur) en filtreercentrifuges (verbeterde filtreerapparatuur). (Zie p100). Er zijn ook centrifuge-configuraties beschikbaar die kunnen dienen voor het scheiden van twee niet-mengbare vloeistoffen. De meest bekende voorbeelden zijn de tubulaire centrifuge en de schotelcentrifuge. Het centrifugaal afscheiden van vaste stof deeltjes uit een gas geschiedt door een cycloon (p101). Net zoals bij een centrifuge berust het principe op het opwekken van een centrifugaal krachtveld maar in tegenstelling tot een centrifuge wordt de centrifugaalkracht opgewekt door de beweging van de gasstroom zelf. Het gas wordt met hoge snelheid tangentiaal bovenaan de cycloon toegevoerd waardoor het gas een draaiende beweging krijgt en de vaste stof tegen de wand terechtkomt. De deeltjes ondervinden een centrifugale kracht en worden afgescheiden van de gasstroom. Het gas kan toegevoegd worden via een ventilator die het gas aanzuigt (onderdruk in cycloon) of het gas in de cycloon perst (overdruk).

12

Fysisch-chemisch scheidingsprocessen Drogen is een veel gebruikt proces om het vochtgehalte van een stof of product te reduceren waarbij relatief vrij kleine hoeveelheden water uit het product verwijderd worden. Doelstellingen zijn om het product onder de gewenste conditie te brengen met het oog op verdere bewerkingen of om de stabiliteit of de houdbaarheid van producten te verlengen. Drogen van vaste stoffen is veelal gebaseerd op het verdampen of sublimeren van water. Beide zijn endotherme processen, waardoor warmte dient toegediend te worden uit de omgeving. 1. Drogen met verwarmde lucht: het te drogen materiaal wordt in contact gebracht met een verwarmde luchtstroom, waarbij warmteoverdracht voornamelijk gebeurt via convectie. 2. Drogen door contact met een verwarmd oppervlak (vlakke plaat of buis waarin een warm fludum stroomt): warmteoverdracht vindt voornamelijk plaats via conductie; dit is een iets efficintere manier dan drogen met warme lucht, maar het risico op oververhitting van warmtegevoelige materialen is groter. 3. Drogen door toediening van stralingswarmte. 4. Vriesdrogen: het water in het product wordt eerst bevroren en afgekoeld tot een temperatuur onder het vriespunt, daarna wordt het ijs door het verlagen van de druk (tot vacum) gesublimeerd tot waterdamp. De meest toegepaste methode om te drogen is het verdampen van water in een warme onverzadigde luchtstroom. De drijvende kracht achter de verdamping is een verschil in dampdruk: de dampdruk van het water in het product is bij droogprocessen groter dan de dampdruk vanwater in de onverzadigde lucht, waardoor een drijvende kracht ontstaat. Verzadigde lucht is lucht waarin de waterdampconcentratie in evenwicht is met vloeibaar water bij een gegeven omgevingsdruk en temperatuur. De dampdruk wordt in dit geval de verzadigde dampdruk genoemd. Aangezien de hoeveelheid waterdamp die lucht kan bevatten, en dus ook de verzadigde dampdruk, toeneemt met de temperatuur, wordt het vochtgehalte van lucht meestal uitgedrukt als het relatief vochtgehalte. In een aantal gevallen wordt het te drogen materiaal continu gekeerd voor het bekomen van een zo mogelijk blootstelling aan de warmtebron. (Zie p103) Voor het drogen van niet te viskeuze oplossingen en suspensies kunnen sproeidrogers worden gebruikt. Sproeidrogers zijn installaties waarin het te drogen materiaal in een warme luchtstroom wordt versproeid of verstoven. Door middel van sproeikoppen of een sneldraaiende schijf verstuift men de vloeistof tot kleine druppels waaruit, door het grote contactoppervlak, met de drooglucht, het vocht snel verdampt. Indamping of evaporatie is het concentreren van een oplossing door het wegkoken van het oplosmiddel (solvent). Het kookpunt wordt bereikt bij die temperatuur waarbij de verzadigde dampdruk van de vloeistof gelijk wordt aan de totaaldruk boven de vloeistof. Essentieel in dit scheidingsproces is dat slechts 1van de componenten van het mengsel vlucht is terwijl de andere component niet-vlucht is.y y y

Een vaste stof terugwinnen uit een oplossing via indamping gevolgd door kristallisatie. Het vormen van een zeer zuivere vloeistof, vrij van deeltjes of opgeloste stoffen. In deze gevallen wordt de afgevoerde damp gecondenseerd voor verder gebruik. Het bekomen van een meer geconcentreerde oplossing, wat nodig kan zijn voor een navolgende bewerkingsstap, of met het oog op volumereductie wat kan leiden tot lagere opslag-, verpakkings- en transportkosten. 13

De indampsnelheid wordt bepaald door zowel de snelheid van de warmteoverdracht als door de snelheid van massatransport van damp uit de vloeistof. Massatransfer kan versneld worden door het creren van een onderuk (vacum) boven de kokende vloeistof. De drijvende kracht voor warmteoverdracht bij indampen is het temperatuursverschil tussen het warmtemedium (stoom) en de kokende vloeistof. De mogelijkheid bestaat om meerdere indampers in serie aan elkaar te schakelen (meertrapsindampers), op voorwaarde dat de kooktemperatuur van de vloeistof in de tweede indamper laag genoeg is om een voldoende groot temperatuursverschil te behouden voor warmteoverdracht. (zie p105 & 106) Kristallisatie is het proces waarbij vaste kristallijne deeltjes gevormd worden uit een homogene fase. Hierbij zijn vier mogelijkheden te onderscheiden.y

y

y y

Kristallisatie vanuit een vloeibare oplossing: hierbij dient de oplossing oververzadigd gemaakt te worden. Dit kan bekomen worden door het oplosmiddel in te dampen en/of door de oplossing af te koelen waardoor de oplosbaarheid van de opgeloste stof daalt. Kristallisatie vanuit een smelt: met een smelt wordt bedoeld de vloeibare hete massa waaruit door stolling een vast materiaal kan ontstaan met dezelfde chemische samenstelling als de smelt. Kristallisatie vanuit een homogene dampfase die door afkoeling oververzadigd wordt. Rekristallisatie vanuit een ander kristallijn materiaal bij specifieke temperatuur- en drukomstandigheden.

Het rangschikkingsproces waarbij moleculen of atomen zich ordenen bij kristallisatie verloopt in het algemeen in twee fasen: (i) eerst moet een groeikern of nucleaus gevormd worden (nucleatie); (ii) als deze kern er eenmaal is, kunnen meer en meer deeltjes zich geordend op de kern nestelen en zo wordt het kristal groter (kristalgroei). Nucleatie is vaak een energetisch ongunstig proces; daarom wordt voor het versnellen van kristallisatie soms een groeikern toegevoegd (entkristal). Destillatie is het proces waarbij de verschillende verbindingen in een vloeibare oplossing worden gescheiden op basis van verschil in vluchtigheid. In tegenstelling tot indamping zijn alle componenten van het vloeistofmengsel min of meer vluchtig. Bij het destillatieproces wordt het vloeistofmengsel verwarmd tot het kookpunt, waardoor een deel van de vloeistof verdampt. Door deze damp te laten condenseren in een andere kolf kan een vloeistoffractie worden verkregen die rijker is aan de vluchtigste component. Deze fractie noemt men het destillaat. (zie p107) In Enkelvoudige destillatie gebeurt de verdeling van de verbindingen tussen de vloeistoffase en de damp in 1 stap. De gevormde damp wordt afgevoerd en gecondenseerd, er is geen terugvloei van het gevormde condensaat (destillaat). I. Bij evenwichts- of flash destillatie wordt een vloeistof opgewarmd en onder druk gebracht. Daarna wordt deze verhitte vloeistof via een drukverlagende klep naar een kamer gebracht waar het gedeeltelijk verdampt met aanrijking van de meest vluchtige verbinding in de dampfase. Vervolgens worden beide fasen voldoende lang in contact gebracht tot er zich een evenwicht instelt. Tenslotte worden de twee fasen van elkaar gescheiden (p108). Een tweede mogelijkheid is de enkelvoudige batch of differentile destillatie. Hier wordt het volledige vloeistofmengsel in een verwarmde kolf gebracht. Van zodra damp gevormd wordt, wordt deze ontrokken naar een condensor, waar het destillaat opgevangen wordt. (p109) 14

II.

De scheidingsefficintie van destillatie kan aanzienlijk verhoogd worden door het uitvoeren van een meertraps of een cascade proces waarbij het gevormde destillaat opnieuw verdampt wordt. Door dit proces van verdampen en condenseren een aantal keren te laten herhalen kan uiteindelijk een dampsamenstelling bekomen worden die vrijwel enkel de meest vluchtige verbinding bevat.Het scheidingsproces op p110 heet fractionele destillatie of rectificatie. Hoe groter het aantal schotels, hoe efficinter de kolom in het scheiden zal zijn. Het te destilleren mengsel wordt ongeveer in het midden van de kolom toegevoegd. Het gedeelte van de kolom boven de voeding wordt de aanrijkingszone of strippingszone genoemd, het gedeelte onder de voeding de uitputtingszone. Om het bouwen van zeer hoge kolommen te vermijden, wordt in de praktijk een deel van het condensaat dat bovenaan afgetapt wordt, teruggevoerd naar de bovenste plaat in de fractioneerkolom. Deze fractie teruggevoerde vloeistof wordt reflux genoemd. De rest het destillaat wordt als productie afgevoerd. Een deel van de vloeistof die de kolom onderaan verlaat, wordt opnieuw verdampt en teruggevoerd naar de onderste plaat. Het overige deel, het bodemproduct, wordt afgevoerd. Vacumdestillatie laat toe om het destillatieproces uit te voeren bij temperaturen beneden het normale kookpunt van het vloeistofmengsel. Hoogkokende organische verbinding kunnen vaak en niet worden gedestilleerd bij atmosferische druk omdat de temperatuur die dan nodig is voor destillatie leidt tot het uiteenvallen van de stof. Bij absorptie (G-> Vl) of scrubbing of wassing wordt een gasmengsel in contact gebracht met een vloeistof (absorbent of solvent) waarin selectief een of meerdere verbinden oplossen via gas/vloeistof massatransfer. De verbindingen die overgebracht worden naar de vloeistoffase worden solute of absorbaat genoemd. Absorptie wordt vaak gebruikt voor het afscheiden van waardevolle producten uit een gasmengsel of voor het verwijderen van onzuiverheden of schadelijke verbinden uit gassen. Mogelijke toepassingen zijn (i) het deeodorizeren (ontgeuren H 2 S) van consumentproducten, (ii) het recupereren van waardevolle gasvormige verbinden voor de productie van consumptiegoederen en (iii) het produceren van specifieke chemische verbinden. De absorptie van een gas in een vloeistof verloopt sneller naarmate het contactoppervlak, het concentratiever schil en de affiniteit van het solvent voor de solute groter zijn en naarmate de temperatuur lager is. De keuze van de wasvloeistof is uiteraard cruciaal. Het ideale sorbent heeft een hoge oplosbaarheid voor de stof (solute), een lage vluchtigheid en een lage viscositeit. Bovendien is het stabiel, niet corrosief, niet schuimend na contact met het gas, niet toxisch, niet brandbaar en makkelijk beschikbaar. Een onderscheid dient gemaakt te worden tussenfysische absorptie en chemische absorptie. In het 1e geval treedt er enkel massatransfer op; bij chemische of reactieve absorptie (chemisorptie) gaat de absorptie gepaard met een chemische reactie in de vloeistoffase. Het omgekeerde proces is stripping of desorptie(Vl -> gas). In een eerste configuratie (de platenkolom) worden een serie boven elkaar geplaatste geperforeerde platen aangebracht op regelmatige hoogtes in de kolom. We onderscheiden drie types platen: 1. Zeefplaten: de opstijgende damp passeert de gaatjes in de geperforeerde plaat en belemmert de vloeistof via dezelfde gaatjes omlaag te stromen. De vloeistof stroomt omlaag via overlooppijpen of schotten. 2. Ventielplaten: op de plaatopeningen wordt een soort ventiel geplaatst. Het grote voordeel hierbij is dat het doorlaatoppervlak variabel is en gestuurd wordt door het gasdebiet dat voldoende moet zijn om te verhinderen dat de vloeistof via het ventiel naar beneden

15

stroomt. Dit regelbaar ventiel laat toe om in een groter bereik van gas- en vloeistofdebieten te werken. 3. Borrelplaten: in de platen zijn enkele ronde openingen met opstaande randen gemaakt. Over de randen zijn klokjes geplaatst. Deze klokjes zijn aan de ondderzijde getand of van openingen ( slots ) voorzien. Deze openingen situeren zicht onder het vloeistofniveau op de plaat. De opstijgende damp passeert bijgevolg de op de platen aanwezige vloeistof via deze slots; en de vloeistof kan alleen via de overlooppijpen of schotten naar de eronder liggende plaat aflopen. (zie p113) In een gepakte kolom loopt de vloeistof langsheen het oppervlak van het pakkingmateriaal door de zwaartekracht van het ene pakkingelement naar het andere naar beneden en passeert hierbij de opstijgende gasfase. Dit kan als een vloeistoffilm of onder de vorm van druppel. De selectie gebeurt op basis van onder meer drukval en massatransfer (contactopp.) Uiteraard zijn ook de materiaaleigenschappen van de pakking (bevochtigbaarheid, thermische en chemische stabiliteit) en de kostprijs belangrijke factoren bij de selectie. Wanneer de solute zeer makkelijk oplost in het solvent en of wanneer er een zeer beperkte drukval is toegelaten, dan kan een sproeitoren gebruikt worden. Een ander alternatief is de bubbel- of bellenkolom, maar deze is vaak minder aangewezen omwille van de hoge drukval en het beperkte gasdebiet dat kan opgelegd worden. (Moeilijk oplosbare stoffen die een lange tijd nodig hebben). Tenslotte is er de meer recent ontwikkelde centrifugale contactor, waarbij de vloeistoffase centraal in de pakking wordt binnengevoerd, waarna ze via centrifugale krachten naar de randen wordt geleid en de contactor onderaan verlaat. De gasfase wordt door de gecreerde onderdruk in de contactor binnengeleid en bovenaan centraal afgevoerd. Dit concept is vooral verdienstelijk omwille van de hoge massatransfersnelheid. Vaak worden absoprtie en stripping in combinatie gebruikt. (Zie p115). Bij extractie worden uit het voedingsmateriaal componenten overgebracht naar een vloeistoffase, het solvent genaamd. Is het voedingsmateriaal een vloeistof, dan is er vloeistof-vloeistofextractie en dient het solvent zo gekozen te worden dat het niet homogeen mengbaar is met het voedingsmateriaal. Is de voeding een vast materiaal, dan is er sprake van vast-vloeistof extractie. Het doel van extractie kan zijn het isoleren van een gewenst product uit een mengsel of het verwijderen van een ongewenst product (zuivering). Bij een extractieproces worden er twee fasen gevormd: enerzijds het extract waarin de te extraheren component (solute) zich finaal aangerijkt bevindt en anderzijds het solute-verarmde raffinaat. Extractie geniet de voorkeur op destillatie in:y y y y

Voor het verwijderen van hoogkokende verbindingen (weinig vluchtig) die in lage concentraties aanwezig zijn. Voor de recovery van hitte-gevoelige materialen, waar extractie economischer is dan vacumdestillatie. Voor het scheiden van stoffen die weinig verschillende kookpunten/vluchtigheden hebben, maar wel een groot verschil in oplosbaarheid. Voor het verwijderen van anorganische stoffen die opgelost of in complexvorm voorkomen in organische of waterige oplossingen.

Een van de belangrijkste elementen bij extractie is: het oplosmiddel moet een grote affiniteit vertonen voor het te extraheren stof terwijl de overige bestanddelen van de weinig of niet oplosbaar zijn (selectiviteit!) en een verschillende dichtheid dan de voeding. 16

Vloeistof-vloeistof extractie zie p117. Bij mixer-settlers worden de twee vloeistoffen eerst gemengd en vervolgens gescheiden door bezinking. Bij het mengen wordt 1 vloeistof gedispergeerd onder de vorm van kleine druppels in de andere. De grootte van de druppels is hierbij een belangrijke parameter voor wat betreft de extractie- als de bezinkingssnelheid. (zie 118) Sproeikolommen zijn eenvoudige extractie-apparaten. Hierbij kan zowel de lichte als de zware fase gedispergeerd zijn. De druppels van de gedispergeerde fase worden gegenereerd door het gebruik van nozzles. Net als in de gepakte kolommen gebeurt mengen en scheiden doorlopend en gelijktijdig. Ondanks hun zeer lage kostprijs worden sproeikolommen weinig gebruikt omwille van het o ptreden van axiale disperie, waardoor de continue fase over de lengte van de kolom gemengd wordt, resulterend in een verminderd aantal scheidignstrappen. Gepakte kolommen: De axiale dispersie kan gereduceerd worden door pakking aan te brengen. De pakking begunstigt tevens de massatransfer door de grotere druppels te breken. Hierbij kunnen gelijkaardige pakkingsmaterialen als bij absorptie en destillatie aangewend worden. Toch is de keuze van het soort pakking meer cruciaal, waarbij de pakking bij voorkeur bevochtigd wordt door de continue fase. Platenkolom: Het inbrengen van zeefplaten in een kolom kan eveneens de axiale dispersie reduceren en aldus zorgen voor een meer stapsgewijze menging. Is de zware vloeistof de continue fase, dan stroomt deze via overloopschotten ( downcomers ) van plaat tot plaat terwijl de gedispergeerde lichte fase doorheen de openingen in de platen naar boven borrelt. Is de zware fase gedispergeerd, dan worden er upcomers gebruikt voor de lichte fase. Kolommen met mechanische agitatie: wanneer de oppervlaktespanning of de viscositeit hoog is of wanneer de dichtheid tussen de 2 fasen beperkt is, dan volstaat de zwaartekracht niet om een goede dispersie en menging te bekomen. In dit geval wordt een agitatie opgelegd, typisch met behulp vaan een axiaal roterende as. Hier zijn mengzones afgewisseld met bezinkingszones in de kolom.(zie p119) Vast-vloeistof extractie Bij vast-vloeistof extractie of leaching wordt een vaste matrix in contact gebracht met een geschikt solvent, waarna diffusie plaatsvindt van de af te scheiden verbindingen vanuit de vaste matrix naar het solvent waarin deze verbinden oplossen. Wanneer het gaat om het afzonderen van onzuiverheden of ongewenste verbinden uit de vaste stof woord ook wel de term wassen gebruikt. Net zoals bij vloeistof-vloeistof extractie zijn ook hier verschillende uitvoeringsvormen mogelijk. Wanneer het te extraheren materiaal een open doorlaatbare massa vormt, kan het solvent door een vast bed van dit materiaal gepercoleerd worden (extractie van suiker uit bietensnijdels). Wanneer meerdere extractiestappen nodig zijn, kan gebruik gemaakt worden van extractiebatterij waarbij meerdere extractoren in serie geschakeld worden, en meestal in een soort tegenstroomconfiguratie doorlopen worden. (zie p120). Naast de extractie apparatuur waarin de vaste matrix als een stationair bed aanwezig is, zijn tevens configuraties ontwikkeld waarin een meertraps tegenstroomextractie kan worden uitgevoerd op bewegende bedden van het te extraheren materiaal. Dit soort operaties wordt moving-bed leaching genoemd.(Bollmann extractor en Hildebrandt extractor).

17

Adsorptie en desorptie, ionenuitwisseling en chromatografie(G/VL -> V) Adsorptie, ionenuitwisseling en chromatografie zijn sorptie operaties, waarbij componenten (solutes) vanuit een fluidum (G of VL) selectief overgebracht worden naar een onoplosbaar vast medium. Bij adsoprtie gaan atomen, moleculen of ionen in een gas of vloeistof diffunderen naar het oppervlak van een vast materiaal, waar zij gebonden worden of vast gehouden worden door zwakke fysische intermoleculaire krachten. Men spreekt van een adsorbaat die op het adsorbens vastzit. Om een groot adsorptieoppervlak per massa/volume te bekomen, worden vaak zeer poreuze partikels met kleine diameter gebruikt. Tevens wordt adsorptie begunstigd door lage temperaturen en hoge druk. Mogelijke toepassingen zijn (i) het onttrekken van ongewenste onzuiverheden aan gassen en vloeistoffen (ontgeuring, ontkleuring) en (ii) het drogen van gassen en vloeistoffen. Het omgekee rde proces van adsorptie wordt desorptie genoemd. (zie p122). Bij ionenuitwisseling gaan ionen met positieve of negatieve lading in een meestal waterige vloeistofoplossing gelijkaardige ionen met dezelfde lading verdringen van het vast oppervlak van een ionenuitwisselaar. Deze bevat vaste, onoplosbare en permanent gebonden ionen van tegensgestelde lading. De ionenuitwisseling kan zowel kationisch als anionisch zijn. De uitwisseling is reversiebel en veroorzaakt geen onomkeerbare veranderingen in de vaste io nenuitwisselaar. Dit betekent dat de ionenuitwisselaar gebruikt en hergebruikt kan worden tenzij er een vervuiling (fouling) optreedt door organische stoffen. (zie p122). Chromatografie is een algemen term voor scheidingstechnieken die steunen op de verdeling van te scheiden verbindingen tussen twee niet mengbare fasen, nl. ene mobiele fase die een gas of een vloeistof kan zijn en een stationaire sorbent fase. Deze laatste kan zowel een vaste stof zijn, een nietmengbaar zeer viskeuze vloeistof of een polymeer die vastzit op een dragermateriaal, of een ionenuitwisselaar. Wanneer in een chromatografisch systeem een oplossing wordt gebracht die verscihllende verbinden bevat, dan zullen die met de mobiele fase mee door het chromatografisch systeem bewegen. Hierbij komen deze verbinden ook in contact met de stationaire fase waarmee ze kunnen interageren. Tijdens de interactie metm de stationaire fase bewegen de verbinden uit het monster uiteraard niet mee met de mobiele afse. Het gevolg is dat stoffen die een zekere affiniteit voor de stationare fase vertonen, vertraagd (retardatie) door het chromatografisch systeem bewegen. Naarmate de interactie tussen een stof en de stationaire fase groter is, zal de verbinding meer en meer door de stationaire fase weerhouden (retentie) worden en later uit het chromatografisch systeem tevoorschijn komen (elueren). Sorbentia: Om een goede economische toepassing te kennen, moet een sorbens naast ene lage kostprijs voldoen aan een aantal eigenschappen:y y y y y y

Hoge selectiviteit en hoge capaciteit Eigenschappen die een snelle sorptie toelaten (porin structuur) Hoge chemische, thermische en mechanische stabiliteit Hoge weerstand tegen fouling Makkelijk in te brengen en te verwijderen uit kolommen Goede mogelijkheden om geregeneerd te worden

18

Belangrijk bij een goed adsorbens is een hoog specifiek oppervlak. Dit wordt vaak bekomen door de aanwezigheid van microporin. IUPAC definieert microporin als porin met openingen < 20 A, mesoporin tussen 20 en 500 A en macroporin > 500 A. A. Organisch koolstofsorbentia: het belangrijkste sorbens hierbij is veruit actief kool. Actief kool wordt bereid door een partile oxidatie van organische materialen. Actief kool is hydrofoob en heeft een groot specifiek oppervlak zodat het gebruikt wordt voorapolaire of zwak polaire stoffen. Macroporin vergemakkelijk het transport van de stoffen naar de microporin. De sterkte van de interactie tussen het sorbens en sorbaat is beperkt, zodat regeneratie relatief makkelijk doorgaat. In vergelijking met actief kool vertoon moleculaire zeef kool kleinere en meer uniforme porindiameters. (lucht & stikstof scheiden). B. Anorganische sorbentia: een aantal veelgebruikte sorbentia in deze klasse zijn: - Silicagel (SiO 2 , zand): wordt uit silicaten bereid en heeft een grote affiniteit voor water en andere eerder basische polaire verbindingen. Aanverwante silicaten zijn magnesiumsilicaat, calciumsilicaat. - Aluminium oxide (Al 2 O 3 , bauxiet): wordt voornamelijk gebruikt voor het afscheiden van zure polaire verbinden en voor het drogen van gassen. - Moleculaire zeef zeolieten: vertonen een anorganische kristallijne polymeerstructuur van aluminiumsilicaten met alkali of aardalkali elementen zoals Na, K, Mg of Ca met algemene vorm. Zeolieten worden geactiveerd door water te verwijderen, en dit door te verwarmen of door een vacumbehandeling toe te passen. Moleculaire zeef zeolieten zijn zeer selectief omdat de openingen voor een bepaald type zeoliet allen dezelfde afmeting hebben. Zeolieten laten aldus scheidingen toe niet enkel op basis van polariteit, maar tevens op basis van grootte. C. Synthetische organische polymeren: Meestal komen zij als parels met een diameter van 0,5 mm voor, bestaande uit microsferen met een diameter van ongeveer 104 mm. Een typische voorbeeld zijn de polymerisatieproducten van styreen en divinylbenzeen, die gebruikt worden om apolaire verbinden uit water te halen. Meer polaire organische polymeer adsorbentia zijn polyacrlyaten. Ook ionenuitwisselaars bestaan meestal uit polymeerproducten van styreen en divinylbenzeen, maar hier worden functionele groepen aangebracht die een lading bevatten. Adsorptie-apparatuur (zie p127)y

y

y

In een slurry contactor wordt sorbens met partikeldiameters < 1 mm (actief kool) als poeder toegediend in de vloeistof en vormt een slurry. Dit slurry adsorptie systeem wordt ook contactfiltratie genoemd en kan zowel batch als in continue modus uitgevoerd worden. Een tweede type is de cyclische batch operatie die zowel met een vast bed contactor als met een wervelbed contactor kan uitgevoerd worden. Indien de voeding een vloeistof is, wordt de techniek ook percolatie genoemd. Gaat het om kleine contactoren, dan kan het adsorbent na adsorptie eruit gehaald worden en thermisch geactiveerd worden. In het derde type, de moving bed operatie, verandert de druk en de temperatuur binnen 1 contactor niet: ofwel is het een adsorber ofwel een regenerator; het sorbens moet alternerend doorschuiven van de adsorber naar regenerator. Technisch zeer moeilijk. Simulated moving bed is beter, het bed beweegt niet, maar wel toevoer- en afvoerstromen. 19

Discrete producten zijn afzonderlijk te onderscheiden, aftelbare, al dan niet samengestelde producten met een functioneel herkenbare geometrie. Een ander kenmerk van een discreet product is dat het verplaatsbaar is.

20

H5 Productietechnologie in de chemische industrie Industrile chemie betreft de praktische toepassing en integratie van chemie in engineering en marketing. De chemische industrie is als onderdeel van de verwerkende nijverheid, en gekenmerkt door een veelheid aan sectoren, producten en processen, uitgegroeid tot 1 van de belangrijkste pijlers van de wereldeconomie. Het is een dynamische industrie, die de afgelopen jaren sterk gevolueerd is zowel wat betreft intrinsieke productkarakteristieken als wat betreft industrile processen en technologien. Ten aanzien van de processen onderliggend aan chemische productie kan er een onderscheid worden gemaakt tussen enerzijds eenheidsprocessen (gebaseerd op fysische transportverschijneselen) en anderzijds chemische reacties. Beiden vormen de basis van chemische productietechnologie waarin materiaal- en energiestromen omgezet worden tot productstromen die in chemische samenstelling verschillend zijn van de voedingsstromen. En van de grote verschillen tussen de chemische industrie en vele andere industrien is de heterogeniteit van de producten die voortgebracht worden. Veel chemische producten zijn gemakkelijk herkenbaar: medicijnen, plastics Andere producten, de intermediaire producten, zijn dan weer bestemd voor verdere ebwerking of verwerking. De chemische industrie brengt circa 60.000 verschillende producten voort, waardoor een allesomvattende lijst van chemische producten opstellen zeer complex is. Middels het onderscheiden van een aantal dimensies is het evenwel mogelijk om groepen producten af te leiden. Er kan een onderscheid gemaakt worden in chemische oorsprong tussen chemicalin met en zonder koolstofatomen. De koolstofhoudende chemicalin worden aangeduid met de generieke term organische chemicalin en zijn hoofdzakelijk afgeleid van aardolie, aardgas en steenkool. Anorganische chemicalin, die geen koolstof bevatten, zijn afkomstig van mineralen en metalen. De commodities of basischemicalin zijn in hoge mate gestandaardiseerd en worden geleverd door vele bedrijven in een hoogcompetitieve marktomgeving waarin concurrentie zich met name op het vlak van de prijs situeert. Onder dit type vallen de producten die in hoge volumes, via continue processen geproduceerd worden. De fijnchemicalin of specialities worden gemaakt in kleinere volumes (batch operatie) in een mark gekenmerkt door een meer oligopolistische structuur (minder aanbieders en competitie op basis van productdifferentiatie). Wanneer de bedrijfskolom als onderscheidend criterium wordt gehanteerd, dan kan een onderverdeling gemaakt worden in producten die opwaarts of neerwaarts in de bedrijfskolom geproduceerd worden. De diversiteit en de heterogeniteit van de sector uit zich niet alleen in het aantal en soort voortgebrachte producten maar ook in de uiteenlopende markten die bediend worden. De belangrijkste afzetmarkten voor chemische industrie zijn landbouw, elektrische toepassingen, metaal bewerking en de textielsector. Kenmerkend is de grote vraag naar chemische producten vanuit de chemische industrie zelf, te verklaren door de hoge mate van industrile verticale integratie, waarbij bedrijven die hoger liggen in de bedrijfskolom vooral leveren aan bedrijven in lagere schakels. De chemische industrie is een conjunctuurgevoelige sector en heeft een internationaal karakter. De meeste Westerse industrielanden behalen een positief handelsbalans voor chemicalin. Verschuiving van make for industry naar make for consumer. Innovatie is de sleutel tot overleving.

21

De chemische industrie is ook in Belgi een zeer heterogene sector, met diverse subsectoren die op basis van verschillende onderzoek- en ontwikkelingsprogramma s (O&O), technologien en marketingstrategien een brede waaier aan activiteiten en producten voortbrengen. Deze bedrijven worden in Belgi vertegenwoordigd door Essencia. Deze multisectorale koepelorganisatie bevat meer dan 650 ondernemingen die meer dan 95% van de totale omzet van de sector vertegenwoordigen. De organisatie vertegenwoordigt en verdedigt de belangen van de sector op Europees vlak, door actieve aanwezigheid binnen CEFIC (European Chemical Industry Coun en het cil) VBO (Verbond van Belgische Ondernemingen). Door Essencia worden de activiteiten van de Belgische chemische industrie gestructureerd in een 5-tal subsectoren: 1. Basischemie (voornamelijk gesitueerd in Antwerpen en Feluy) - Organische chemische basisproducten: methaan, olefinen, benzeen en xylenen - Anorganische chemische basisproducten: zuren en alkalin, mineraal- en metaalzouten - Industrile gassen: vloeibare zuurstof, vloeibare stikstof, gasmengsels - Kleurstoffen en pigmenten - Kunststoffen in primaire vorm: bijv polyolefinen zoals polyethyleen en polypropyleen - Synthetische rubber in primaire vorm - Meststoffen: kunstmeststoffen en stikstofverbindingen 2. Parachemie - Chemische producten voor tuin- en landbouw en verdelgingsmiddelen - Verven, vernissen en inkten - Zepen- was- en poetsmiddelen, parfums en cosmetica - Fotochemische producten - Overige verbruiksgoederen: minerale olin, poeders, lijm, gelatine, explosieven 3. Verwerkende chemie - Kunststofverwerking: platen, vellen, buizen en profielen van kunststof, verpakkingsmateriaal van kunststof, kunststofelementen voor de bouw - Rubberverwerking 4. Life sciences - Farmaceutische grondstoffen en preparaten - Geneesmiddelen voor mens en dier - Biotechnologie 5. Andere activiteiten - Groothandel in chemische producten - Recuperatie, behandeling en recyclage van afval - Chemische engineering - Materiaal en apparatuur voor de chemische industrie

22

Vanuit een economische optiek de NACE-BEL 2008 classificatie zijn het vooral de afdelingen 19 Vervaardiging van cokes en geraffineerde aardolieproducten , 20 Vervaardiging van chemische producten , 21 Vervaardiging van farmaceutische grondstoffen en producten ; en 22 Vervaardiging van producten van rubber of kunststof . Productieprocessen in de chemische industrie berusten niet enkel op eenheidsoperaties. Om grondstoffen om te zetten naar producten met een andere chemische samenstelling is er tevens een conversie nodig via het uitvoeren van een chemische reactie. Enkele veelvoorkomende reacties in de chemische industrie zijn oxidatie, reductie, hydrolyse, polymerisatie en electrolyse. De condities waaronder de reactie doorgaan zijn belangrijke parameters voor de reactiesnelheid en conversie efficintie. Vaak wordt gebruik gemaakt van katalysatoren. Dit zijn stoffen of materialen die de chemische reactie versnellen en efficinter maken, zonder zelf verbruikt te worden. Het ontwerp van een chemische reactor, de tank, het vat of het recipint waarin de chemische reactie plaatsvindt, is veelal een vrij complexe uitdaging. In deze reactor worden de om te zetten materialen (reagentia) aangevoerd, gebeurt de conversie, en worden finaal de gevormde producten afgevoerd. Tevens moeten in de reactor de vereiste condities zoals druk en temperatuur kunnen aangewenden gecontroleerd worden. Een belangrijk element bij het uitvoeren van chemische reacties is het type operatie van het proces. Globaal onderscheiden we discontinue en continue porcessen, uitgevoerd in respectievelijk batch reactoren en doorstroomreactoren. Uiteraard zal de rentabiliteit van bedrijfsvoering doorslaggevend zijn bij de keuze van het reactortype. Batch reactor: een vaste hoeveelheid van de reagentia (en katalysator) wordt in het reactorvat gebracht, waarna de reactie in zijn volledigheid wordt uitgevoerd zonder dat bijkomende reagentia worden toegevoegd of dat reactieproducten worden verwijderd. Dit type reactoren beidt een grote flexibiliteit aan fabrikanten die een brede waaier aan producten aanmaken in kleine hoeveelheden. Daarenboven is batch-productie van traag verlopende reacties veelal minder kapitaalintensief dan continue-productie. Werkingskosten zijn echter vaak hoger. Semi-batch reactor: hierbij wordt een van de reagentia eenmalig voor de aanvang van het proces in de reactor toegediend, terwijl dit voor andere reagentia stapsgewijs of continu gebeurt. De term wordt ook gebruikt wanneer een van de reactieproducten stapsgewijs of continu wordt afgevoerd. Doorstroomreactor: in een continue proces worden de reagentia doorlopend aan de reactorinlaat toegediend terwijl aan de uitlaat de reactieproducten continue afgevoerd worden. Voor bulkproducten worden nagenoeg altijd continue bereidingsprocessen nagestreefd omwille van de geringe werkingskosten en de mogelijkheid voor automatische controle, wat een betere reproduceerbaarheid van bedrijfsvoering en productkwaliteit meebrengt. Continue reactoren die in dynamisch evenwicht verkeren, werken stationair of in steady state. Het reactiemengsel vertoont een constante samenstelling op een gegeven plaats in de reactor, uiteraard voor constant gehouden bedrijfsvoering. Niet stationair of transint reactorgedrag treedt op tijdens de opstartfase van de reactor.

23

Petrochemische industrie De industrile organische scheikunde steunt voornamelijk op 7 basisproducten (building blocks) waaruit een variteit van organische verbindingen kan geproduceerd worden. Deze basisproducten zijn: (1) etheen, (2) propeen, (3) butenen, (4) benzeen, (5) tolueen, (6) xylenen en (7) methaan. Hierbij worden onverzadigde koolwaterstoffen bekomen uit aardolie en aardgas; aromatische verbindingen uit aardolie en in mindere mate steenkool; methaan uit aardgas. Het raffineren van ruwe aardolie tot vermarktbare producten omvat 3 soorten processtappen: 1. Scheiding. Vooreest worden aanwezige zouten en andere onzuiverheden uit de ruwe aardolie afgescheiden. Hiertoe wordt de olie opgewarmd tot 120C waarna het gewassen wordt met vers water en behandeld in een elektrisch veld. Vervolgens wordt de olie verder verhit tot een temperatuur boven het kookpunt, waarna de ontstane dampen en vloeistoffen gescheiden worden via fractionele destillatie. Rectificatiekolommen kunnen hierbij tot 40 platen bevatten en de totale hoogte kan oplosten tot 45m. De fracties die afgescheiden worden tijdens deze stap worden ook wel straight run products genoemd. De zwaardere fracties worden vervolgens verder gescheiden tot verschillende soorten olin en smeermiddelen via vacumdestillatie. Door bij drukken te werken kan het kookpunt van deze fracties verlaagd worden. Voor het afscheiden van wassen en/of andere semi-vaste verbindingen uit de zware fracties kan gebruik gemaakt worden van kristallisatie, na afkoelen, gevolgd door filtratie. Om de lichtere componenten die de kolom bovenaan met de dampfase verlaten te recuperen, worden absorptie- en strippingsprocessen ingezet. De dampfase wordt doorheen zware benzine of kerosine geborreld en verbindingen zoals propaar, butaan, propeen en buteen worden geabsorbeerd. Andere gasvormige componenten zoals waterstof, methaan, ethaan en etheen worden niet weerhouden. Het aangereikte solvent wordt vervolgens gestript met stoom, waarna de gestripte verbinden gecondenseerd en verwerkt worden tot LPG. Om de vloeistofstromen die afgetapt worden op verschillende hoogtes in de rectificatiekolom verder op te zuiveren, wordt solventextractie gebruikt. Hiertoe wordt de afgevoerde vloeistofstroom vermengd met een solvent waardoor bepaalde verbindingen selectief oplossen en eventueel omgezet worden tot een vaste stof. Op die manier kunnen na afscheiding smeermiddelen met een breder toepassingsgebied geproduceerd worden. 2. Conversie. Tijdens de conversie worden minderwaardige fracties bekomen na de scheidingsstap omgezet tot meer hoogwaardige en bruikbare producten. Een eerste belangrijk proces hierbij is kraking. Kraken is een scheikundige techniek waarbij grotere organische moleculen omgevormd worden tot moleculen met een lager moleculair gewicht. Via kraking worden zware petroleumfracties aldus omgezet tot lichtere producten zoals nafta. Er worden tevens gasvormige verbindingen gevormd die als grondstof kunnen dienen bij de productie van plastics, synthetische rubbers, detergenten, textiel en agrochemicalin. We onderscheiden thermisch kraken en katalytisch kraken. Dit laatste proces kan zowel in een fluidized bed als in een fixed bed configuratie uitgevoerd worden. Regeneratie van de katalysator is een belangrijk punt. De reactieproducten van het kraakproces hangen sterk af van de temperatuur waarbij de reacties plaatsvinden, alsook van de eventuele gebruikte katalysatoren. In tegenstelling tot kraken, zijn reforming alkylatie en polymerizatie conversietechnieken die uitgevoerd worden met lichtere gasvormige fracties. Deze processen hebben voornamelijk tot doel het octaangetal van brandstoffen vo or 24

benzinemotoren te verhogen door het introduceren van vertakkingen en onverzadigdheden in de molecule. Het octaangetal neemt af ovlgens: olefinen > aromatische verbindingen > cycloalkanen > vertakte alkanen > n-alkanen. 3. Chemische (na)behandleing. Hiertoe behoort (i) ontzwaveling, (ii) toevoegen van additieven, en (iii) opmenging van verschillende fracties. Voor het ontzwavelen wordt waterstof (H 2 ) bij de betreffende fractie toegediend, waarna de organische zwavel in de aanwezigheid van een katalysator wordt omgezet tot waterstofsulfide. Dit wordt vervolgens uit het mengsel afgescheiden en gebruikt als grondstof voor de productie van elementair zwavel. Het toevoegen van additieven kan meerder doelstellingen hebben, bijv. verhogen van het octaangetal, verbeteren van antivrieseigenschappen, verbeteren van de eigenschappen van smeerolin. Omwille van milieuredenen wordt additieftoediening waar mogelijk vermeden of geminimaliseerd. De opmenging van verschillende geraffineerde petroleumfracties heeft als doel een finaal product te vormen waarvan bepaalde eigenschappen beter zijn dan van de afzonderlijke fracties. Belangrijke eigenschappen hierbij zijn viscositeit, kleur, stabiliteit, vluchtigheid, zwavelgehalte, De petrochemische industrie in Vlaanderen is voornamelijk geconcentreerd in de streek rond Antwerpen. De haven van Antwerpen is het grootste en meest gediversifieerde petrochemische centrum van Europa. Niet minder dan 7 van de 10 grootste chemische bedrijven ter wereld hebben 1 of meerdere productiesites in de Antwerpse petrochemische cluster. Recente evoluties en inzichten resulteren in een toenemende druk op de petrochemische nijverheid. Zo heerst er enerzijds een hernieuwde belangstelling voor het gebruik van steenkool als basisgrondstof in de chemische industrie, dit voornamelijk als gevolg van de grotere reserves en de lagere kostprijs van steenkool. Meer fundamenteel evenwel is het hedendaags duurzaamheidsdenken. Kunststoffen zijn in de ruimste zin van het woord kunstmatig of synthetisch vervaardigde materialen. Ook al omvatten deze een zeer ruime groep aan materialen, meestal wordt met kunststoffen bedoeld (eind)producten die opgebouwd zijn uit zeer grote moleculen die in essentie bestaan uit lange ketens van zich herhalende moleculaire bouwstenen (monomeren), en die als dusdanig niet in de natuur kunnen gevonden worden. De term kunststoffen verwijst dus in de meeste gevallen naar synthetisch vervaardigde polymere materialen, waarin omwille van het verbeteren van materiaaleigenschappen allerlei toevoegstoffen vermengd worden. De productie en verwerking van kunststoffen behoort typisch tot de activiteiten van de chemische industrie. De toepassing van kunststoffen heeft na de WW2 een steeds grotere vlucht genomen. Metalen componenten zijn in toenemende mate door kunststoffen onderdelen vervangen. Voordelen van kunststoffen zijn vooral de lage dichtheid, de bestendigheid tegen corrosie en chemicalin, de geringe electrische en thermische geleidbaarheid, de geluidsdemping, en het gemak waarmee voor een relatief gunstige prijs gekleurde dan wel transparante werkstukken vervaardigd kunnen worden. Daar staat tegenover dat de stijfheid en sterkte vaak relatief gering zijn en dat het toepassingsgebied voor wat betreft temperatuur beperkt blijft. Niet alle polymeren zijn synthetisch, want ook in de natuur komen polymeren voor: de zogenaamde biopolymeren. Hierbij wordt in eerste instantie gedacht aan de polysacchariden. De functies van biopolymeren in de natuur zijn:y y

Het dienst doen als structuurelement en bouwsteen Energievoorraad 25

In de natuur voorkomende polymeermaterialen vinden evenwel ook hun toepassingen in industrile productietechnologie:y y y y

Papierindustire: de productie van papier uitgaande van een cellulose -bevattende grondstof Productie van lijmen: zowel polysaccharide- als eiwitgebaseerde lijmen Textielindustrie: waarbij tijdens de verwerking van textielvezels gebruik gemaakt wordt van zowel natuurlijke als synthetische polymeermaterialen. Voedingsindustrie: het gebruik van zetmeel (polysaccharide) als indikkingsmiddel in de levensmiddelentechnologie.

Synthese, structuur en indeling van kunststoffen 1. Additiepolymerisatie, waarbij de moleculen ongewijzigd achter elkaar gekoppeld worden zoals kralen aan een ketting. Het uitgangsmateriaal is een monomeer in oplossing, in emulsie, in dampvorm, of gewoon een onverdunde vloeistof. De schakels in het gevormde polymeer hebben dezelfde samenstelling als de afzonderlijke monomeermoleculen. 2. Condensatiepolymerisatie, waarbij 2 soorten monomeren samengevoegd worden en polymeriseren met vorming van een nieuwe molecule. De eenheden in de gevormde polymeerketen zijn aldus opgebouwd uit een andere chemische structuur dan de materialen waaruit het polymeer werd bereid. Als bijproduct ontstaan er bij condensatiepolymerisatie meestal water. Kunststoffen bestaan vaak uit polymeerketens die opgebouwd zijn uit 2 verschillende soorten monomeren. Elk van de 2 monomeren die aan het zogenaamdeco-polymerisatieproces deelnemen, zou ook op zichzelf een polymeerketen kunnen vormen, maar doordat de 2 monomeren samen polymeriseren, ontstaat er een polymeer waarin ketendelen van beide polymeren voorkomen. Co polymerisatie is vooral belangrijk omdat men langs deze weg de eigenschappen van bestaande polymeren kan verbeteren en zo een vrijwel oneindig aantal soorten kunststoffen kan maken. De meest gehanteerde indeling van kunststoffen is gebaseerd op de structuur van de macromoleculen:y y y

Een lineaire structuur: de lange dunne ketens zijn in zo n materiaal met elkaar verstrengeld, maar blijven niettemin losse, afzonderlijke polymeerketens; Een vertakte structuur: als een keten zich tijdens de polymerisatiereactie opsplitst en dus in 2 richtingen tegelijk gaat groeien, ontstaat er een keten met een vertakte structuur. Een al dan niet 3-dimensionele vernette structuur, gekenmerkt doordat er zich bij de bereiding van het polymeermateriaal tussen de ketens sterke chemische bruggen vormen die cross-links of dwarsverbindingen worden genoemd. (zie p150)

De fysische en mechanische eigenschappen worden in grote mate door de structuur en graad van kristalliniteit bepaald. Gebaseerd op deze beschouwingen worden kunststoffen onderverdeeld in: 1. Thermoplasten: kenmerked voor deze groep van kunststoffen is dat ze boven een bepaalde temperatuur gemakkelijk plastisch gaan vervormen en bij een verdere temperatuursverhoging gaan verweken en tenslotte smelten. Dit proces is omkeerbaar. In het geval van plastische deformatie vervormen weliswaar de macromoleculen zelf, maar ze blijven ten opzicht van elkaar dezelfde positie innemen. Bij het verweken gaan de macromoleculen ten opzichte van elkaar verschuiven. Het is duidelijk dat dit gedrag alleen 26

mogelijk is bij lineaire en vertakte polymeerketens, waarbij de weerstand tegen vervorming logischerwijs groter is bij de laatstgenoemde structuur. 2. Elastomeren of synthetische rubbers: dit zijn polymeren met rubberachtige eigenschappen. Het woord elastomeer is een samentrekking van de woorden elastisch en monomeer. Een rubber is gedefinieerd als een materiaal dat in een trekproef met ten minste 200% kan worden uitgerokken zonder dat het breekt, en dat bij het verdwijnen van de belasting snel en krachtig tot zijn oorspronkelijke afmetingen terugkeert. Elastomeren zijn in beginsel thermoplasten die in de eindfase van het productieproces vulkanisatie ondergaan. Tijdens dit proces wordt het polymeer onder druk en onder toevoeging van zwavel verhit, waardoor een grofmazige vernette structuur ontstaat met lange beweelijke ketenstukken tussen de cross-links. Hierdoor krijgen deze materialen een uitgesproken elastisch gedrag, maar verweken ze niet. Bekende voorbeelden zijn gevulkaniseerde isopreenrubbers. 3. Thermoharders: bij deze groep van kunststoffen ontstaat tijdens het polymerisatieproces een fijnmazige 3-D netwerkstructuur. Als gevolg hiervan zullen thermoharders in het algemeen sterker, stijver, harder brosser zijn dan thermoplasten en een betere vormstabiliteit hebben. Ook treedt er bij temperatuursverhoging geen verweking op, maar zal het materiaal uiteindelijk gaan ontleden. Dit heeft belangrijke gevolgen voor de vormgevingsprocessen waarmee producten uit een thermoharder gemaakt worden. Veel gebruikte thermoharders zijn fenoplasten en epoxyharsen. (zie p151) Verwerkingstechnieken voor kunststoffen Thermoplasten worden na polymerisatie, afkoeling en stolling door de materiaalproducent in de vorm van granulaat (korrels) of poeder aan de kunststofverwerkende industrie geleverd.Bij thermoharders wordt voor kunststofverwerking uitgegaan van een nog niet uitgeharde grondstof, welke vaak als een viskeuze vloeibare pasta of hars wordt aangeleverd, of in sommige gevallen als niet uitgehard granulaat. Oervormen van kunststoffen In feite vinden alle primaire vormgevingsprocessen plaats in de viskeuze toestand. Voor thermoplasten en elastomeren betekent dit dat het uitgangsmateriaal verwarmd wordt, waarna de vormgeving plaatsvindt en het product (meestal halffabrikaat) na afkoeling en stolling de gewenste vorm, sterkte en stijfheid krijgt. Elastomeren ondergaan nog een vulkanisatieproces. Thermoharders kunnen na polymerisatie en verharding door verhitting niet meer in de rubber- of viskeuze toestand gebracht worden; een product zal zijn eindvorm dus tijdens het polymerisatieproces moeten verkrijgen. Dit gebeurt meestal door een chemische reactie tijdens het uitharden in de gewenste vorm. Hieronder worden de voornaamste industrile oervormmethodes besproken:y

Bij gieten wordt vloeibaar (gemaakt) materiaal zonder veel druk uit te oefenen in een matrijs gegoten waar het een hol of massief vormvast product vormt na stolling (thermoplasten) of uitharding (thermoharders). Handmatig gieten wordt het meest toegepast met thermoharders. Alleen laagviskeuze kunststoffen kunne gegoten worden. De bij de uitharding vrijgekomen warmte moet tijdig via de gietvorm worden afgevoerd, omdat anders gevaar voor ontleding bestaat. Varianten hierop zijn het rotatiegieten en het centrifugaalgieten, waarbij meestal wordt uitgegaan wordt van een poedervormig polymeermateriaal. Bij rotatiegieten wordt dit granulaat toegevoerd in een verwarmde dunwandige metalen matrijs die geroteerd wordt om twee onderling loodrechte assen. Het 27

y

y

granulaat smelt zodra het contact maakt met de matrijswanden en vormt een schil die een afdruk is van de vorm van de binnenkant van de matrijs, en dat na afkoeling uit de matrijs kan worden genomen. Deze werkwijze leent zich goed voor de productie van complexe holle producten men wanddikten van 0,4 1,5mm. Bij centrifugaalgieten wordt de gietvorm om 1 as geroteerd met een hogere rotatiesnelheid dan bij rotatiegieten. De voordelen zijn dat een meer reproduceerbare wanddikte kan verkregen worden in vergelijking met rotatiegieten. Ook de mechanische eigenschappen zijn veelal beter bij centrifugiegieten. Dit proces wordt voornamelijk gebruikt voor relatief lange en dikwandige werkstukken. Persen wordt in hoofdzaak met thermohardende kunststoffen uitgevoerd. Bij koudpersen wordt een afgepaste hoeveelheid vloeibare kunststof in een geopende matrijsholte gebracht. Daarna wordt de ondermatrijs met een bovenmatrijs of een plug gesloten, waarna men een bepaalde temperatuur en druk instelt die net zolang worden gehandhaafd tot het materiaal de holte helemaal heeft opgevuld en uitgehard is. Warmpersen is verglijkbaar met koudpersen, waarbij evenwel van een niet-uitgehard voorverwarmd poeder wordt uitgegaan, dat in de matrijs verder verhit wordt tot in de viskeuze toestand. Nadat de matrijsholte onder druk is gevuld, ondergaat het materiaal een uithardingsreactie. Sinteren wordt voornamelijk gebruikt voor de vormgeving van thermoplastische polymeren die een hoog smeltpunt hebben, zoals sommige fluorhoudende plastics en polyimiden. Net als bij persen wordt het polymeermateriaal in de vorm van poederdeeltjes, samengedrukt en verward tot een temperatuur waarbij de deeltjes zich met hun oppervlak aaneenhechten e n aldus samenvoegen. Anders dan bij persen treedt er bij sinteren geen smelting op

Extruderen en kalanderen (zie p153) Extrusie is een continue proces waarbij het polymeermateriaal wordt verhit tot in de viskeuze toestand om vervolgens onder druk doorheen een spuitmond te worden geperst. Granulaat of poeders worden via een vultrechter aan een cilindervormig extrusie-apparaat toegediend. Het toegediende polymeermateriaal wordt in de cilindervormige kamer verplaatst door een schroef en onderweg verhit door verwarmingselementen rondom de wand van de cilinder en door wrijving aan het uiteinde wordt de smelt door de schroef doorheen de spuitmond geperst, waarna het zo snel mogelijk dient gekoeld te worden met lucht of water. Met het extrusieproces kunnen op goedkope wijze producten vervaardigd worden, waarbij een zeer grote varitei