Productietechnologie
2019
Inhoudsopgave
v Hoofdstuk 2: Materie en grondstoffen ................................................................................................... 3
Structuur van materie......................................................................................................................................... 3
Opbouw van een atoom................................................................................................................................. 3
Atoombindingen en moleculen ...................................................................................................................... 4
Elektronegativiteit en polariteit ..................................................................................................................... 5
Intermoleculaire krachten.............................................................................................................................. 6
Aggregatietoestanden.................................................................................................................................... 7
Industriële grondstoffen ................................................................................................................................... 10
Opbouw en samenstelling van de aardkorst ................................................................................................ 10
Ontginning van delfstoffen .......................................................................................................................... 12
Economische en industriële relevantie van delfstoffen ............................................................................... 12
Grondstoffen in België ................................................................................................................................. 12
v Hoofdstuk 3: Energie ............................................................................................................................ 13
Inleiding ............................................................................................................................................................ 13
Energie: definitie en kwantificatie .................................................................................................................... 13
Primaire energiebronnen .................................................................................................................................. 14
Fossiele energiebronnen .............................................................................................................................. 14
Nucleaire energiebronnen ........................................................................................................................... 15
v Hoofdstuk 4: Eenheidsoperaties i.d. productietechnologie ................................................................... 19
Grondslag van eenheidsoperaties .................................................................................................................... 19
Fysische transportverschijnselen ................................................................................................................. 19
Wet van behoud van massa ......................................................................................................................... 21
Opslag en transport van grondstoffen en materialen ...................................................................................... 22
Opslag en transport van gassen en vloeistoffen .......................................................................................... 22
Opslag en transport van vaste stoffen ......................................................................................................... 24
Warmteoverdracht ........................................................................................................................................... 24
Warmteoverdracht processen ..................................................................................................................... 24
Warmteoverdracht apparatuur ................................................................................................................... 25
Mengen ............................................................................................................................................................ 26
Mengen van gassen met gassen .................................................................................................................. 26
Gas met een vloeistof .................................................................................................................................. 27
Gas met vaste stof........................................................................................................................................ 27
Vloeistoffen met vloeistoffen ...................................................................................................................... 28
Scheidingsprocessen ......................................................................................................................................... 28
Mechanisch-fysische scheidingsprocessen .................................................................................................. 28
Fysisch-chemische scheidingsprocessen ...................................................................................................... 30
Mechanische vervaardigingstechnieken van discrete producten ..................................................................... 52
v Hoofdstuk 5: Productietechnologie in de chemische industrie ............................................................. 54
De chemische industrie: activiteiten en karakteristieken ................................................................................. 54
Chemische processen en producten ............................................................................................................ 54
, De markt voor chemische producten........................................................................................................... 55
Chemische reacties en reactorconcepten ......................................................................................................... 57
De petrochemische industrie ............................................................................................................................ 57
Kunststoffen en kunststofverwerkingstechnologie ........................................................................................... 59
Synthese, structuur en indeling van kunststoffen........................................................................................ 59
Verwerkingstechnieken voor kunststoffen .................................................................................................. 63
Farmaceutische industrie ................................................................................................................................. 68
“From fossil-based to bio-based” industrie ...................................................................................................... 70
v Hoofdstuk 6: Productietechnologie in de metaalindustrie .................................................................... 71
De metaalindustrie: activiteiten en karakteristieken........................................................................................ 72
IJzer- en staalindustrie ................................................................................................................................. 72
Non-ferro industrie ...................................................................................................................................... 73
Ertsveredeling en metallurgie ........................................................................................................................... 73
2
, v Hoofdstuk 2: Materie en grondstoffen
Materie is alles wat in de kosmos een volume en massa heeft. Komt voor in drie fysische
toestanden: vast, vloeibaar, gas.
Materiaal is een stof die verwerkt is tot een (onderdeel van) concreet product of halffabricaat.
Er is een wisselwerking tussen structuur, verwerkingstechnologie en materiaalkeuze.
Structuur van materie
Atoom is de kleinste hoeveelheid materie waaruit stoffen zijn opgebouwd. De meeste stoffen
zijn ofwel organisch (afgeleid van levende organismen), ofwel anorganisch (stoffen die niet
aan levende organismen zijn ontleed).
Er zijn 114 elementen gekend, 90 in de natuur aanwezig (anderen kunstmatig vormen).
Elementen of elementaire stoffen zijn zuivere stoffen die noch via chemische noch via
elektrische weg ontbonden kunnen worden in eenvoudigere zuivere stoffen. Zuivere stoffen
zijn (1) van samenstelling vast en (2) hebben constante chemische eigenschappen. Weinig
elementen komen voor in hun elementaire vorm, meestal mengsels of verbindingen. De
eigenschappen van elementen hangen op een periodieke manier samen met hun structuur,
geordend in het periodiek systeem. Overzichtelijke manier van namen en chemische
symbolen van elementen die bouwstenen vormen van industrieel of technisch belangrijke
materialen. Kolomsgewijze indeling van de elementen op basis van hetzelfde aantal valentie-
elektronen op het hoogste energieniveau en dus gemeenschappelijk gedrag (!
materiaalkeuze). De eerste kolom zijn de alkali-atomen, tweede zijn de aardalkali-atomen. De
negen kolommen daarnaast zijn de transitie- of overgangsmetalen.
Opbouw van een atoom
Deeltje Massa (kg) Lading (C) = kern = 10-13cm
Absoluut Relatief Absoluut Relatief
Elektron e- 9,11 * 10-31 verwaarlb -1,60 * 10-19 -1
Proton p+ 1,67 * 10-27 1,007u 1,60 * 10-19 +1
atoom = 10-8 cm
Neutron n0 1,67 * 10-27 1,008u 0 0
⇒ Elektronenwolk = 105x groter dan kern
1u = 1 a.m.u. = 1 atomaire massa-eenheid
Atoomnummer Z = #p+ = #e-; atoommassa A = #p+ + #n0; atomen met = Z en ≠ A =
isotopen: identieke chemische, maar verschillende fysische eigenschappen.
Getal van Avogadro NA= 6,022*1023
Bij het configureren, binden van individuele delen (e-, p+, n0) tot één geheel, wordt er massa
vrijgesteld aan de omgeving in de vorm van intra-atomaire bindingsenergie, dus niet verloren.
Dit is het massadefect.
3
,Atoommodel van Bohr
De e-‘en zitten zo dicht mogelijk tegen de kern, en niet te dicht bij elkaar want ze stoten
elkaar af: in verschillende bolschillen. Aantal e-‘en per bolschil = 2n2. Maximaal 8 valentie-
elektronen. Zijn er exact 8: octetstructuur, edelgasconfiguratie, meest stabiele elektronen, inert
of niet-reactief of chemisch niet-actief, meest gunstig.
Model uit de kwantummechanica
Wetenschappelijk sterker model.
Elektronen vertonen niet alleen eigenschappen van deeltjes, maar ook van golven.
Schrödinger (1926) stelt vergelijking op die de beweging van de e-‘en beschrijft in termen van
hun energie ⇒ te ingewikkelde golfvergelijking ⇒ benaderingen: geven de waarschijnlijkheid
of probabiliteit aan waar een elektron met een bepaalde energie kan worden aangetroffen of
grootste elektronendensiteit ⇒ grootste waarschijnlijkheid: orbitaal, met verschillende
energieniveaus, bepaald door het hoofdkwantumgetal n.
Niveau 1: laagste energieniveau: n = 1: één orbitaal = 1s = bol symmetrisch = sferisch. Hoge
elektronendensiteit, dichtheid (bol touw).
Niveau 2: vier orbitalen: 2s, 2px, 2py, 2pz (energetisch gelijkwaardig). Grotere afstand van de
kern, hoger energieniveau. 2px is georiënteerd volgens de x-as, haltervorm.
Elektronenverdeling
§ Aufbauprincipe
Het opbouwprincipe zegt dat de orbitalen met het laagste energieniveau eerst worden
opgevuld alvorens naar de volgende te gaan.
§ Regel van Hund
Bij energetisch gelijkwaardige niveaus ontvangen eerst alle orbitalen één elektron alvorens
een orbitaal een tweede ontvangt.
§ Pauli-principe
Elk orbitaal kan maximaal twee elektronen bevatten, met onderling een tegengestelde
elektronenspin.
Atoombindingen en moleculen
Interatomaire bindingen = bindingen tussen atomen; intromoleculaire bindingen = in
moleculen; primaire chemische bindingen = wijziging van de atomenstructuur.
Alle atoomsoorten streven naar edelgasconfiguratie, dit kan door een binding aan te gaan, er
ontstaan moleculen. Een binding aangaan kan door valentie-elektronen af te staan (metaal) of
op te nemen (niet-metaal). Metalloïden bevatten eigenschappen van metalen en niet-metalen
(bv. boor, silicium en germanium).
4
,Er bestaan drie soorten primaire bindingen (herverdeling):
§ Ionbinding of heteropolaire binding
M-NM, volledige transfer van een elektron van een M-atoom naar een NM-atoom.
Resultaat zijn twee ionen en weer te geven in een kristalrooster (hard, hoog smeltpunt,
weinig geleiding).
§ Covalente binding of homopolaire binding
NM-NM (of metalloïden), transfer ⇒ gemeenschappelijk elektron. Bv. H2O, Cl-Cl, Cl2.
Twee overlappende atoomorbitalen = gemeenschappelijk molecuulorbitaal (twee e-‘en
met tegengestelde spin). Lineaire overlap = oriëntatie in dezelfde richting als de
verbindingsas van de kernen, meestal horizontaal: σ-binding. Sterkere binding, sterkere
cohesie, gunstiger. Bij verticale oriëntatie, loodrecht op de verbindingsas van de kernen,
zijdelingse interactie: π-binding. Hierbij is de helft boven de kern en de helft eronder.
Belangrijk voor organische verbindingen.
Bij ongepaarde elektronen gaan we de orbitalen herschikken, hybridiseren tot bv. het
sp3orbitaal bij methaan (tetraëder). Deze vorm is zeer geschikt voor lineaire overlap met
andere orbitalen, σ-bindingen.
Dubbele binding tussen koolstofatomen: één σ-binding en één π-binding, driedubbele
binding: één σ-binding en twee π-bindingen.
§ Metaalbinding
M-M, transfer ⇒ gemeenschappelijk elektron ⇒ valentie-elektronen behoren tot het
gehele kristal. Metaalkristal = stapeling van +ionen, waarin de valentie-elektronen zich vrij
kunnen bewegen in het elektronengas. Elektronen blijven gelokaliseerd aan de +ionen.
Breken van een metaalbinding is moeilijk, plooien is relatief gemakkelijk.
Atomen in een binding staan niet te dicht bij elkaar (afstoting), maar ook niet te ver van elkaar
(verlies aantrekkingskracht). De optimale afstand tussen twee kernen wordt de bindingslengte
genoemd en de interatiomaire bindingsenergie is de maximale energiewinst die optreedt bij
het vormen van een binding, de bindingssterkte. Het is (1) de energie die vrijkomt bij de
binding en (2) de energie die nodig is om de binding te verbreken.
Het is karakteristiek aan elke binding, metaalbinding < ionbinding of metaalbinding. Dubbele
bindig is in verhouding < enkele binding van dezelfde stof, aangezien π-bindingen zwakker
zijn dan σ-bindingen.
Elektronegativiteit en polariteit
Bindingselektronen worden bij een covalente binding meestal niet door allebei de kernen
even sterk aangetrokken, de mate waarmee een atoom in een molecule gedeelde e-‘en naar
5
,zich toetrekt = elektronegativiteit. Het zijn covalente bindingen met een partieel ionair
karakter: polaire covalente binding: verplaatsing van het gemeenschappelijk e-‘enpaar: twee
polen: dipolen. Meeste elektronegatieve element is fluor, 4,0. Het verschil in elektronegativiteit
of ΔEN bepaald welke soort binding:
§ ΔEN < 0,4: zuivere covalente binding
§ 0,4 < ΔEN < 2,0: polaire covalente binding Er ontstaat een permanente dipool.
§ 2,0 < ΔEN: ionbinding
Wanneer er geen polariteit is, ligt het e-‘enpaar in het midden, symmetrische moleculen zijn
apolair, maar er is een continu maar steeds wisselend dipoolkarakter aanwezig, er ontstaat
een geïnduceerde, opgewekte dipool.
Intermoleculaire krachten
Of Van der Waalskrachten zijn actief tussen moleculen onderling of tussen moleculen en
ionen. Van der Waals of secundaire bidingen berusten op fysische aantrekkingskrachten
tussen permanente of geïnduceerde polen. Onderscheiding t.g.v. krachten:
§ Dipool – dipool (Keesom-krachten)
Bv. tussen een positief gepolariseerd wateratoom en een vrij elektronenpaar van een klein
elektronegatief atoom (fluor, stikstof, zuurstof, …). Het vrije elektronenpaar nadert de
waterstofkern op anderhalf keer de afstand van de normale covalente binding. Deze sterk
polaire interactie is een waterstofbrug. Brug tussen twee elektronegatieve atomen.
Energiewinst is 20kJ/mol, sterkste IMK, maar zwak als we vergelijken met PCB: 400kJ/mol.
Moleculen met waterstofbruggen hebben een hoger kookpunt dan moleculen van
vergelijkbare grootte die dat niet kunnen. Bv. CH3-CH2-OH vs. CH3-O-CH3.
§ Dipool – geïnduceerde dipool (Debye-krachten)
§ Geïnduceerde dipool – geïnduceerde dipool (London-krachten)
Secundaire bindingen zijn zwakker dan primaire, maar hebben een invloed op fysische
eigenschappen zoals smelt- en kookpunt, mengbaarheid, oplosbaarheid, stijfheid van vaste M:
§ Hoe sterker de intermoleculaire krachten, hoe hoger het kookpunt
o Door de polariseerbaarheid: hoe gemakkelijk kan je polen induceren in de
molecule, de beweeglijkheid, mate waarin een verstoring van de
elektronenverdeling in de molecule kan veroorzaakt worden door een andere.
o Door de grootte van het contactoppervlak.
• Door de grootte
Hoe groter, hoe sterker de intermoleculaire krachten.
• Door de structuur
Ø Sterische hinder door meerdere vertakkingen.
§ Like disolves like: respectievelijk (a)polair met (a)polair.
6
, Aggregatietoestanden
De aggregatietoestand van een stof wordt bepaald door de balans tussen de potentiële
energie, de IMK en de kinetische energie van de samenstellende deeltjes. Deze laatste bestaat
uit translatie- (lineaire verschuiving), rotatie- (rond een punt/lineair), vibratie- (gekoppeld aan
het trillen van atomen in een molecule) en elektrische energie (gekoppeld aan het
ronddraaien rond de kern).
Gasfase
Kleine attractie-energie t.o.v. de kinetische energie. Sterk samendrukbaar, thermische
expansie, lage viscositeit of stroperigheid. Dit is de weerstand om over elkaar te vloeien.
Daarnaast hebben de meeste gassen een kleine dichtheid en zijn ze oneindig mengbaar,
homogeen.
Ideale gaswet: pV=nRT met R=8,314 Jmol-1 K-1
Kinetische energie
Vloeibare fase
Ze kunnen nog verder opeen gedrongen worden, maar minder dan in de gasfase. Twee
mengbare vloeistoffen kunnen in elkaar diffunderen, maar de diffusiesnelheid is evenwel
kleiner dan in de gasfase. De viscositeit is net iets hoger dan bij gassen, maar nog steeds laag.
Vaste fase
De atomen en moleculen vormen een ordelijk ruimtelijk patroon, gekenmerkt door symmetrie
en regelmatigheid. Wanneer de atomen gerangschikt zijn in een driedimensionaal
basispatroon dat zichzelf herhaalt, heeft de stof een kristallijne structuur. Dit is een
eenheidscel, de eenvoudigste verzameling van roosterpunten en bij herhaling in 3D levert het
het volledige kristalrooster op (bv. kubisch of tetragonaal). Dit zijn de meeste anorganische
verbindingen en metalen.
De eigenschappen van kristallijne metalen zijn afhankelijk van
§ De kristalstructuur
o Samenstelling
o Temperatuur
o Druk
§ De grootte van de kristallen
§ De uniformiteit in afmetingen van de kristallen
§ De sterkte van de bindingen tussen de atomen
§ De fouten in het kristalrooster
Polymorf is de eigenschap dat stoffen zich in verschillende kristallijne fasen of natuurkundige
vormen kunnen voordoen. Van één kristallijne stof kunnen tot tientallen polymorfen bestaan.
7
