Van je docent hoor je hoe en waar je de film kunt bekijken.*)

GTL In de komende toets kom je een opgave tegen over GTL. Je kunt je op die opgave voorbereiden door het bekijken van de de film “De lucht geklaard” (dat is een zeven minuten durende door Shell gemaakte film over GTL) en door het beantwoorden van onderstaande vragen. Van je docent hoor je hoe en waar je de film kunt bekijken.*) Na de vragen zijn de bronnen a, b en c afgedrukt (waarnaar in de vragen verwezen wordt) en ook voorbeeldantwoorden. Die kun je gebruiken om jezelf te beoordelen.

*) Aan scholen is door Shell een dvd verstrekt met o.a. de film “De lucht geklaard”. De Engelstalige versie kun je ook vinden op YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=mZbgNKmL82Q

GTL 2009-12-31 vdefs.doc

Vragen 1p a. Wat wordt in de context van de film bedoeld met (lucht) klaren? In de film is sprake van twee GTL-fabrieken, eentje in Bintulu en eentje in Qatar. Zoek in/met Google Earth Qatar en Bintulu op en bepaal de coördinaten van de twee biobrandstoffabrieken aldaar. Kennis van de ligging van Qatar en Bintulu kan helpen bij de beantwoording van een van de volgende vragen. 1p b. Wat zijn de coördinaten van de betreffende fabrieken in Qatar en Bintulu? 1p c. Waarom heeft Shell die fabrieken juist in Bintulu en Qatar neergezet en niet in Athene waar GTL tijdens de Olympische Spelen in 2004 kon worden getest?

De in Bintulu geproduceerde dieselbenzine werd in 2004 per tanker naar Athene vervoerd. Een van de nadelen daarvan is dat voor het vervoer ook brandstof wordt verbruikt. In bron a worden verschillende soorten vervoer met elkaar vergeleken. Uit de vermelde gegevens zou volgen dat vervoer per vrachtwagen “dus 9 keer minder efficiënt” is dan vervoer per schip. 4p d. Laat aan de hand van een berekening zien dat bij de berekening van de factor 9 de dichtheid van stookolie niet is verdisconteerd. Als je ervan uitgaat dat de in bron bron 1a vermelde CO2-uitstoot per ton per kilometer wel correct is kun je berekenen hoeveel stookolie er verbrand moet worden om een ton GTL-benzine per schip van Qatar naar Athene te transporteren.


4p e. Bereken op basis van gegevens uit bron a hoeveel ton stookolie er nodig is voor het vervoer van een ton GTL per tanker van Qatar naar Athene. Neem hierbij aan dat de uitstoot per ton voor een containerschip en een tanker hetzelfde is. Je mag er bij de berekening van uitgaan dat stookolie bestaat uit een stof met chemische formule C10H22 en dat de verbranding volledig is. Vermeld in je antwoord de afstand tussen Bintulu en Athene (bepaal die hemelsbreed m.b.v. een atlas of Google Earth en vermenigvuldig die afstand met 1,5). Blijkens de kop van het artikel in bron a wordt door sommigen vervoer per schip als relatief milieuvriendelijk word beschouwd. In het artikel in bron b noemen anderen de zeescheepvaart een “dodelijke milieuvervuiler” vanwege giftige stoffen die vrijkomen bij de verbranding van stookolie. 2p f. Wat vind jij: milieuvriendelijk of milieuvervuilend? Motiveer je mening aan de hand van gegevens uit de bronnen a en b. In bron c staat beschreven hoe de uitstoot van een van de giftige stoffen verminderd kan worden met de zogeheten ‘scrubmethode’. 2p g. Worden in bron c met zwaveldeeltjes echte deeltjes (op macro- of mesoniveau) of modeldeeltjes (op microniveau) bedoeld? Licht je antwoord toe. Vervoer van GTL-brandstof per pijpleiding van Bintulu naar Athene zou de genoemde milieunadelen niet hebben. 2p h. Noem twee redenen waarom toch niet gekozen is voor vervoer per pijpleiding van Bintulu naar Athene. In de film heb je gezien dat het met de productie van GTL in Bintulu maar net goed is gekomen. Thomas Bos kwam er bij toeval achter waar het probleem zat. 2p i. Leg uit of de oorzaak van het probleem in Bintulu er een was op macroniveau, op mesoniveau of op microniveau.


2p j. Leg uit of in Qatar dat probleem zich ook had kunnen voordoen. 2p k. Zou je zo’n baan als van Thomas Bos willen hebben? Noem een aantrekkelijke kant en een minder aantrekkelijke kant.


Bronnen Bron a (uit NRC Handelsblad van 29 februari 2008)

Bron b uit NRC Handelsblad van 29 februari 2008)


Bron c (uit NRC Handelsblad van 29 februari 2008)


Voorbeeldantwoorden 1p a. Ervoor zorgen dat er minder schadelijke stof(fen) (roet) ten gevolge van de verbranding van (fossiele) (auto)brandstof in de lucht terecht komen. 1p b. Qatar: 25°40’NB 51°30’OL Shell Bintulu: 3°10’NB 113°2’OL 1p c. GTL-brandstoffen worden gemaakt van aardgas. In/bij Bintulu en Qatar zit veel aardgas in de grond en in/bij Athene niet. 4p d. De factor 9 komt van 162,5 (liter) / 18 (liter) = 9, maar voor 8500 containers is 155 ton stookolie nodig, dat is 155.103 / 8500 = 18,2 kg stookolie nodig en die heeft een volume van 18,2 / 0,95 (BINAS-tabel 11) = 19 liter. 4p e. Bos-atlas 5e druk kaart 126/127 schaal 1:30.000.000 afstand BintuluAthene 31 cm, dus 31.107 / 100000 = 3,1.103 km, dus als te bevaren afstand nemen we 1,5 x 3,1.104 = 4,65.103 km. De uitstoot is 15 gram CO2 per ton per kilometer, dus 4,65.103 x 15 gram = 7,0.104 g = 7,0.104/44 = 0,16.104 mol CO2 per vervoerde ton GTL. 2 C10H22 + 31 O2 Æ 20 CO2 + 22 H2O Dus 0,16.103 mol C12H22, dus 0,16.103 x 166 = 2,7.103 g = 2,7.10-3 ton 2p f. Als je het accent legt op het broeikaseffect: milieuvriendelijk want vervoer per schip is wat betreft uitstoot van broeikasgas CO2 de minst vervuilende vorm van vervoer. Als je het accent legt op andere milieueffecten: milieuvervuilend want er komen grote hoeveelheden giftige stoffen vrij. 2p g. (Uit “Zeescheepvaart dodelijke milieuvervuiler blijkt dat) het gaat om de uitstoot van zwavel(stof)oxide, zwavel(di)oxide is een gasvormige


verbinding, dus zullen zwaveldioxidemoleculen bedoeld zijn, dat zijn modeldeeltjes (op microniveau). 2p h. Twee antwoorden zoals bijvoorbeeld hieronder. Bintulu is een proefproject en bij mislukken zou er voor niks een pijpleiding aangelegd zijn. Voor het aanleggen van een pijpleiding is toestemming nodig van de landen waar die pijpleiding doorheen loopt. Een pijpleiding is vandalisme/terrorisme gevoelig. 2p i. Op mesoniveau: de installatie raakte verstopt door echte rookdeeltjes van de bosbrandende stoffilter. Die rookdeeltjes (en filtergaatjes) kun je met het blote oog niet zien maar we met een (licht)microscoop. 1p j. Nee, daar zijn geen bossen, dus geen bosbranden. Ja, woestijnzand zou de installatie ook kunnen verstoppen. 1p k. Noemen van een aantrekkelijke kant en een minder aantrekkelijke kant.


GTL Bij deze opgave horen twee bronnen en een (invul)bijlage. De term GTL is gereserveerd voor processen waarbij uit gasvormige stoffen ándere vloeibare (brand)stoffen ontstaan. GTL is gebaseerd op de Fischer-Tropsch synthese (FTS). Daarbij wordt syn(these)gas (bijvoorbeeld afkomstig van steenkoolvergassing) in een katalytische polymerisatiereactie omgezet in koolwaterstoffen. Deze synthese is genoemd naar Duitse uitvinders ervan. In het Duitsland van de jaren twintig van de vorige eeuw was grote behoefte aan benzine en dieselolie. Dat land beschikte toen wel over steenkool maar niet over aardoliebronnen waaruit die vloeibare brandstoffen in raffinaderijen gemaakt konden worden. 1p a. Noem een reden waarom er nu in de eenentwintigste eeuw weer onderzoek wordt verricht naar GTL en FTS. In de tekst van bron 1 (afkomstig van de website van Shell) staat het GTL proces puntsgewijs beschreven. In de afbeelding in bron 1 worden de stappen van het GTL proces op verschillende manieren afgebeeld: links met reactieschema’s waarin de betrokken stoffen en mengsels met namen en met tekeningen worden aangeduid; midden en rechts met een blokschema. Het blokschema in de afbeelding voldoet niet helemaal aan de afspraken die daarover door chemici meestal worden gehanteerd: (aanduidingen van) processen in blokken en (aanduidingen van) stoffen bij de pijlen. 4p b. Vul het blokschema op de bijlage aan met: - een proces in een (extra) blok - (extra) pijlen - namen van stoffen bij pijlen waar deze ontbreken; vermeld de namen van de stoffen die corresponderen met de tekeningen in het linkerdeel van de afbeelding Bij het GTL proces ontstaan, afhankelijk van de omstandigheden, verschillende koolwaterstoffen die als benzine of dieselolie gebruikt kunnen worden.


Het is nog maar de vraag of het in energetisch opzicht wel gunstig uitpakt om van aardgas vloeibare brandstoffen te maken. Aan de hand van energiebeschouwingen in de vragen c t/m e kan daarover meer duidelijkheid verkregen worden. De reacties die bij deze FTS plaatsvinden kunnen worden beschreven met de volgende reactievergelijkingen: (vergelijking 1) 2 CH4 + O2 Æ 4 H2 + 2 CO (vergelijking 2) 8 CO + 16 H2 Æ C8H16 + 8 H2O 3p c. Laat aan de hand van vormingswarmten uit BINAS-tabel 57A zien of de reactie die beschreven wordt met vergelijking 1, een endotherme of een exotherme reactie is. 3p d. Laat aan de hand van bindingsenergieën uit BINAS-tabel 58 zien of de reactie die beschreven wordt met vergelijking 2, een endotherme of een exotherme reactie is. Neem als bindingsenergie voor de covalente CO-binding – 10,6.105 J mol-1. Uit combinatie van berekeningen zoals bij d en e volgt dat bij de FTS van 1 mol 1-octeen uit 8 mol methaan 15,1.105 J aan energie vrijkomt. De reacties die plaatsvinden bij de volledige verbranding van methaan respectievelijk 1-octeen kunnen beschreven worden met onderstaande vergelijkingen CH4 + 2 O2 Æ CO2 + 2 H2O C8H16 + 12 O2 Æ 8 CO2 + 8 H2O Met de verbrandingswarmte van methaan (zie BINAS-tabel 56) en van 1-octeen (49,9.105 J mol-1) en met het energie-effect van de FTS kan berekend worden of het in energetisch opzicht gunstiger is om methaan te verbranden of methaan eerst via FTS om te zetten en dan het ontstane 1-octeen te verbranden. 4p e. Geef deze berekening en vermeld de conclusie die je daaruit kunt trekken over het energie-effect van rechtstreekse verbranding van methaan vergeleken verbranding van via FTS uit methaan geproduceerd 1-octeen.


Een soortgelijke conclusie als over 1-octeen kan getrokken worden voor andere via FTS geproduceerde GTL brandstoffen. 2p f. Leg uit of gebruik van GTL-brandstoffen een bijdrage levert aan vermindering van emissie van broeikasgassen. FTS wordt gekatalyseerd door op ijzer en kobalt gebaseerde katalysatoren De vragen g t/m k gaan over katalyse van de FTS. 2p g. Noem aan de hand van informatie in bron 1 een voordeel en een nadeel van ijzergekatalyseerde FTS. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar katalysatoren bij FTS omdat niet alleen door variatie van temperatuur, druk, maar ook middels aard en structuur van de katalysatoren geregeld kan worden dat er koolwaterstoffen ontstaan die als benzine of dieselolie kunnen worden gebruikt. Ook hoopt men de temperatuur waarbij FTS plaatsvindt te kunnen verlagen. In bron 2 vind je informatie over ijzergekatalyseerde FTS. 1p h. Leg uit in welk opzicht de katalytische werking van ijzeroxide door de twee in bron 2 beschreven alternatieven vergroot wordt. Omdat in bron 2 een formule vermeld staat is duidelijk welk ijzeroxide bedoeld wordt. Om misverstanden te voorkomen worden door chemici meestal verschillende namen gebruikt voor de twee meest voorkomende ijzeroxiden. 3p i. Geef naam en formule van de twee meest voorkomende ijzeroxiden. In figuur 1 in bron 2 staat een foto van mesoporeus ijzeroxide. 2p j. Teken hoe je dit mesoporeuze ijzeroxide met het deeltjesmodel (op microniveau) kunt voorstellen. Geef een toelichting bij je tekening. 2p k. Leg uit of je de katalytische werking van het ijzeroxide met de tekening van j beter, even goed of minder goed kunt begrijpen vergeleken met de meso-afbeelding op de foto.


Bronnen Bron 1 Uit: http://www.shell.com/home/content/shellgasandpoweren/products_and_services/what_is_gtl/gas_to_liquid/whatisgtl_0112_1532.html GTL conversion is an umbrella term for a group of technologies that can create liquid synthetic fuels from a variety of feedstocks. The basic technology was developed in Germany in the 1920s, and is known as the FischerTropsch process after its inventors. In essence it uses catalytic reactions to synthesise complex hydrocarbons from simpler organic chemicals. This process can create identical liquids from a variety of feedstocks, although the technical challenges are greater for biomass and coal. ….. There are two main categories of natural gas-based Fischer-Tropsch process technology: the high and the low temperature versions.

o

The high-temperature, iron catalyst-based Fischer-Tropsch GTL process produces fuels such as petrol (gasoline) and gasoil that are closer to those produced from conventional crude oil refining. The resultant GTL products are virtually free of sulphur, but contain aromatics.

o

The low-temperature, cobalt catalyst-based Fischer-Tropsch GTL process, however, produces an extremely clean synthetic fraction of gasoil called GTL Fuel that is virtually free of sulphur and aromatics.


Shell is one of several companies that have developed low-temperature Fischer-Tropsch GTL technology. Shell’s proprietary GTL process, also known as Shell Middle Distillate Synthesis SMDS, uses a much more active and selective catalyst than earlier processes, which enables the production of a range of finely tailored liquid fuels in a fully commercialised system. There are three main stages:

o

In the first, natural gas is partially oxidized at high temperature and pressure in the Shell Gasification Process (syngas manufacture step).

o

The second stage, Heavy Paraffin Synthesis (Fischer-Tropsch synthesis step), is the heart of the process. Here the gas is converted into liquid hydrocarbons.

o

Finally, the Heavy Paraffin Conversion (hydrocracking step) reactor is used to fine-tune the product by selective cracking and fractionation to separate the desired middle distillate products.


Bron 2 Uit: http://practicum.chem.uu.nl/20062007/chem/p4/verkenning/projectbeschrijvingen/files/02A-ANO-Meso-2007.pdf

figuur 1 Bij toepassing van ijzer als katalysator wordt het ijzer veelal in de vorm van een bulk ijzeroxide (Fe2O3) gebruikt. Omdat het actieve katalytische oppervlak hierbij beperkt is, zou men in principe twee alternatieven kunnen bedenken om dit oppervlak te vergroten: (1) kleine ijzeroxide kristallen afzetten op een (inert) dragermateriaal, of (2) het ijzeroxide poreus maken. Van het eerstgenoemde alternatief zijn al vele voorbeelden bekend in de literatuur. Het tweede alternatief is vooral door recente ontwikkelingen erg interessant geworden. Mesoporeuze ijzeroxiden (poriegrootte rond de 20 nm, “honingraatstructuur”) zijn voor het eerst succesvol gesynthetiseerd (zie figuur 1) en kunnen wel eens veelbelovende Fischer-Tropsch katalysatoren blijken.


Bijlage Raw Natural Gas

Gas conditioning Ethane LPG Condensate Sulphur oxygen Syngas manufacture

Fischer Tropsch synthesis

Products worked-up


GTL Normal Paraffin GTL Naphtha GTL Gas Oil GTL Base Oils

Voorbeeldantwoorden 1p a. Aardolie (de grondstof voor vloeibare brandstoffen) dreigt op te raken; dus wordt gezocht naar andere mogelijkheden. (Bijvoorbeeld gas uit nog ruim voorradige steenkool of uit aardgas.) 4p b. - blok met luchtscheiding - bij dat blok lucht (stikstof+zuurstof) in en stikstof uit - bij andere pijlen: methaan; waterstof en koolstofmonoxide; n-nonaan en water - extra pijl uit onderste blok en daarbij water 3p c. Ontleden van CH4 kost 2x0,76 = 1,52 Maken van CO levert 2x1,105 = 2,11 Dus netto wordt (2,11 – 1,52 =) 0,59.105 J per twee mol CH4 geleverd, dus exotherm. 3p d. Nodig: 8x C-O 8x10,6 = 16 H-H 16x4,36 = Totaal nodig:

84,8 69,76 154,56

Er komt vrij: 1x C=C 1x6,1 = 6x C-C 6x3,5 = 16xC-H 16x4,1= 16xO-H 16x4,635= Totaal vrij :

6,1 21,0 65,6 74,16 166,86

Dus netto komt er (166,86-154,56=) 12,3.105 J per mol 1-octeen vrij, dus exotherm 4p e. Uit 8 mol CH4 ontstaat 1 mol 1-octeen Verbranding van 8 mol CH4 levert 8x8,90 = 71,2 Verbranding van 1 mol C8H16 levert 49,9 en bij de FTS komt nog eens 15 vrij, dus in totaal 64,9. Dus (71,2>64,9) rechtstreekse verbranding van methaan is energetisch gunstiger.


2p f. Nee, want uiteindelijk wordt het aardgas dat als grondstof wordt gebruikt voor GTL omgezet in CO2 en er is voor FTS ook energie nodig. 2p g. Voordeel: het resultaat is een brandstof die veel lijkt op de huidige brandstoffen,( dus hoeven motoren niet te worden aangepast) Nadeel: brandstof bevat wel aromaten;FTS bij hoge temperatuur (kost extra energie) 1p h. Door vergroting van het ijzeroxideoppervlak kan er meer syngas tegelijk reageren. 3p i. ijzer(III)oxide Fe2O3 ijzer(II)oxide FeO 2p j.

IJzer(III)oxide is een zout en dat wordt in vaste vorm (op microniveau) voorgesteld met een Fe3+-ionen en O2--ionen aan elkaar, in dit geval zodanig gerangschikt dat er ruimte is voor de deeltjes van de stoffen die “gekatalyseerd” moeten worden. 2p k. Even goed, want zowel in de foto als in de tekening kun je het grotere contactoppervlak “zien”.


Van je docent hoor je hoe en waar je de film kunt bekijken.*)

Recommend Documents