Tb151-00; - Deeltoets I;
Donderdag 28 Maart, 2002, 13:45-15:45
Deze deeltoets bestaat uit 3 vraagstukken. De beschikbare tijd is 2 uur. U mag uitsluitend gebruiken: een rekenmachine, schrijfmateriaal. U start met een saldo van 10 punten; totaal aantal punten te behalen is 100.
Gegevens die je in een aantal vraagstukken nodig hebt (uit het Periodiek systeem):
Molgewichten [g/mol]:
Koolstof, C = 12; Zuurstof, O=16; Stikstof, N = 14; Waterstof, H=1; Chloor Cl = 35.5; Natrium Na=23 Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan uw tijd in per vraagstuk. Gebruik systeemdenken en let op correcte keuze / gebruik eenheden. Succes!
Vraagstuk 1 (20 punten)
De wereldwijde energievoorziening is in hoofdzaak gebaseerd op fossiele energiebronnen.
a) Noem de DRIE belangrijkste typen die wereldwijd op grote schaal worden gebruikt
b) Met welk kengetal wordt in de wereldenergiestatistieken vaak de voorraadpositie van deze (en andere) energiebronnen gekarakteriseerd? Licht kort toe en geef aan welke dimensie dit kengetal heeft.
c) Volgens het CBS bedroeg de Nederlandse energieconsumptie in 1999 in totaal 2830 PJ. Hoeveel ton steenkool equivalent is dat? (Steenkool = 28.3 [MJ/kg]
d) Waarom spreken we liever van energiegebruik dan van energieconsumptie?
Vraagstuk 2 (30 punten)
Mede naar aanleiding van de tragische gebeurtenissen in Enschede en Volendam staan ook de Chloortreinen in Nederland weer ter discussie.
Chloor (Cl2) is erg giftig: in de Eerste Wereldoorlog werd het ingezet als strijdgas in de loopgraven-
oorlogen. Vanwege de giftigheid mag het tegenwoordig niet in grote hoeveelheden worden opgeslagen. Om productieverstoringen te kunnen op vangen is voor slechts een bedrijf in Nederland ontheffing verleend. De enige (grote) opslagtank in Nederland te Rotterdam bevat 3.000 m3 vloeibaar chloor onder druk.
Chloorwagons hebben een inhoud van 30 m3 en vervoeren vloeibaar chloor. De dichtheid van vloeibaar chloor is 3,2 [kg/l];
a) Chloor is zo gevaarlijk omdat de dichtheid van Chloorgas veel groter is dan die van lucht; men zegt dan dat Chloorgas zwaarder is dan lucht. Bij een eventueel lek vormt het een verstikkende deken over de grond. Stel dat een Chloorwagon in korte tijd leeglekt en dat zich dan bij windstil weer een gasdeken vormt van +/- 5 cm dik. Tot op welke afstand van de wagon is er dan risico op verstikking aan de grond? een mol ideaal gas heeft een volume van 22,4 liter.
b) Hoeveel groter is het risicogebied rond de genoemde Chloortank in Rotterdam?
In Nederland wordt dan ook op alle vier locaties waar Chloor wordt gebruikt ook Chloor geproduceerd, te weten in Bergen-op-Zoom, Delftzijl, Hengelo en Rotterdam. De totale productiecapaciteit in Nederland is 540.000 ton per jaar. De totale consumptie is eveneens 540.000 ton per jaar.
Op geen van de locaties komt de maximaal te realiseren productie echter overeen met de plaatselijke vraag.
In Rotterdam staat de grootste installatie, max. 320.000 ton/jaar, in Bergen-op-Zoom de kleinste, max.
27.000 ton/jaar. Op beide locaties is echter een tekort, respectievelijk 50.000 ton/jaar in Rotterdam en 13.000 ton/jaar in Bergen-op-Zoom. De netto vraag naar Chloor in Delfzijl is 90.000 ton/jaar.
c) Lees de onderstaande deelvragen d) e) en f) door. Teken op basis van bovenstaande beschrijving een zo volledig mogelijk systeemschema van het chloor-systeem in Nederland dat je kunt gebruiken bij de oplossing van een of meer deelvragen; Tip: onderscheid per locatie een productie(sub)systeem en een consumptie(sub)systeem van Chloor
d) Hoe groot is de netto jaarlijkse vraag naar Chloor in Hengelo?
e) Er rijden al jaren slechts Chloortreinen (vol) van Delfzijl naar Hengelo. Welke uitspraak kun je nu doen t.a.v. de chloorproductie in Delfzijl resp. Hengelo?
f) De lengte van chloortreinen is in verband met de risicos beperkt tot maximaal 20 wagons. Om de hoeveel dagen moet de trein naar Rotterdam ten minste rijden?
Vraagstuk 3 (40 punten)
Hoewel de uitvoeringsvorm verschilt, is het chemisch proces voor de productie van Chloor op de vier genoemde locaties in Nederland hetzelfde. Er wordt gebruik gemaakt van een electrochemisch proces, electrolyse, waarbij electriciteit wordt gebruikt als drijvende kracht cq. energiebron voor het chemisch proces dat plaatsvindt.
Keukenzout (NaCl) wordt opgelost in water en geëlectrolyseerd, waarbij natronloog, waterstof en chloor ontstaan::
NaCl(s) + H2O(l) Æ NaOH(l) + H2 (g)+ Cl2 (g)
De vormingsenthalpie van water volgens reactie H2 + 1/2 O2 Æ H2O (l)) ∆H = - 68.2 kCal/mol Water En de vormingsenthalpie van keukenzout volgens Na + 1/2 Cl2 Æ NaCl (s) = - 98.2 kCal/mol Zout a) Wat is de netto enthalpie van de netto electrolyse-reactie? Is dit proces endo- of exotherm. Licht toe.
Er vinden geen nevenreacties plaats. Bekend is dat het rendement van de electrolyse 60% bedraagt.
Voor allerlei procesapparatuur is in totaal 1.5 MW nodig.
b) Wat is het benodigd electrisch vermogen (MW) voor de Chloorfabriek in Rotterdam (320.000 ton/jaar Chloor ), 8000 bedrijfsuren per jaar. (1 Calorie - 4.18 Joule); Als u a) niet heeft kunnen berekenen, kies dan voor de netto enthalpie -500 kCal/mol.)
c) Hoeveel energie gaat er verloren in de chloorfabriek?
d) Welke energietransformaties treden op in de chloorfabriek?
In Rotterdam heeft de plaatselijke producent reeds jaren geleden ervoor gekozen met een warmte- krachtinstallatie (WKK) gestookt op Hoogcalorisch aardgas (= zuiver methaan, CH4; ∆Hverbranding = -50 MJ/kg) te voorzien in de electriciteitsbehoefte van de chloorfabriek.
Het electrisch rendement van deze WKK bedraagt 30% (kracht uit brandstof), het totaal rendement (kracht + warmte uit brandstof) van de WKK = 90%, beide betrokken op de verbrandingswaarde van het aardgas.
De geproduceerde warmte wordt gebruikt om stoom te maken dat wordt verkocht aan andere bedrijven in de regio.
e) Hoogcalorisch aardgas wordt uitsluitend geleverd aan grootverbruikers in de industrie. Welke kwaliteit aardgas wordt geleverd aan huishoudens? Noem twee verschillen tussen deze twee kwaliteiten aardgas.
f) Hoeveel CO2 wordt er uitgestoten ten behoeve van de chloorproductie in Rotterdam?
g) Verklaar o.a. met een korte systeembenadering waarom de vervanging van aardgas door stookolie in de WKK zou leiden tot meer CO2 uitstoot gerelateerd aan de chloorproductie in Rotterdam.
h) Ter plekke zou een zonne-energiecentrale kunnen worden gebouwd waarin een grote hoeveelheid spiegels zonlicht reflecteert naar een centrale cylinder gevuld met water/waterdamp. De geproduceerde waterdamp kan vervolgens in een kringproces een stoomturbine aandrijven, waarna de waterdamp wordt gecondenseerd en teruggepompt naar de centrale cylinder. Stel dat het systeem ontworpen wordt voor een temperatuur in de cylinder van 1027 oC, en dat gecondenseerd wordt bij een temperatuur van 7 oC; hoeveel collector oppervlak is dan minimaal nodig om de electriciteit voor de chloorfabriek op te wekken bij een gemiddelde zonneinstraling van 0.1 kW/m2. ?
