Andere onderzoekgebieden die nu worden gecommercialiseerd zijn nanotechnologie, biotechnologie en de ontwikkeling van biobrandstoffen om de olievoorziening aan te vullen. Aanzienlijke voordelen voor het milieu zijn voortgekomen uit onderzoek om processen te ontwikkelen die leiden tot een beter octaangehalte van benzine, verf op waterbasis, vervangers voor chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s) en de ontwikkeling van Groene Chemie als een actief onderzoekgebied.

Van onderzoek tot produktie

Onderzoek dat wordt uitgevoerd in de laboratoria van de industrie en de universiteiten is slechts de eerste stap. Deze ontdekkingen moeten worden omgezet in realistische industriële processen. Dit is de taak van de chemisch ingenieur die verantwoordelijk is voor de vertaling van de laboratoriumchemie naar een grotere schaal. Het opschalen van de productie van grammen in laboratoriumomstandigheden tot duizenden tonnen in een industriële installatie op volle schaal is voor chemici en scheikundig ingenieurs zeer nauwgezet werk. In de tussenstadia tussen laboratorium- en grootschalige productie is apparatuur nodig waarmee het grootschalige proces kan worden nagebootst en waarmee de gunstigste omstandigheden kunnen worden gevonden voor een hoge opbrengst van het product dat met een geschikte snelheid wordt verkregen (figuur 7).

Figuur 7 Een voorbeeld van enkele pilot-batchreactoren die gescheiden zijn en
parallel werken. Een computer bestuurt elke reactor en de gebruikers kunnen reeksen
experimenten uitvoeren, waarbij temperatuur, druk en samenstelling van de katalysator worden gewijzigd.
Met vriendelijke toestemming van de Cambridge Reactor Design Ltd.

De foto hieronder (figuur 8) toont een tussenstadium waarin een proefinstallatie is gemaakt, om de meest geschikte omstandigheden te vinden voor het nieuwe OMEGA-procédé voor de produktie van ethaan-1,2-diol. Dit is een zeer belangrijke stap, aangezien de omstandigheden die geschikt zijn voor het proces in het laboratorium vaak niet noodzakelijk geschikt zijn wanneer het proces wordt overgebracht naar apparatuur op grotere schaal. Daarom worden vele experimenten onder zeer zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden uitgevoerd om een maximale opbrengst te verkrijgen. De chemici en scheikundig ingenieurs die dit werk doen, moeten er ook rekening mee houden dat de maximale opbrengst extra kosten met zich mee kan brengen die het proces oneconomisch maken.

Figuur 8 De proefinstallatie voor het nieuwe OMEGA-proces om ethaan-1,2-diol te maken.
Met vriendelijke toestemming van Shell International Ltd.

Als deze werkzaamheden succesvol zijn, bestaat de volgende fase uit het maken van het materiaal op commerciële schaal, hetgeen, zoals in het geval van ethaan-1,2-diol, vele honderdduizenden tonnen per jaar is (figuur 9). De rentabiliteit van het product ligt in het ontwerp van de reactor op industriële schaal die nodig is voor de veilige vervaardiging van de gewenste producten. De kapitaalkosten van een dergelijke installatie zullen waarschijnlijk miljoenen dollars bedragen.

Figuur 9 De eigenlijke installatie voor het nieuwe OMEGA-procédé voor de produktie van ethaan-1,2-diol, gebouwd na geslaagde proeven met de proefinstallatie. Deze installatie produceert 750.000 ton van het diol per jaar. Met vriendelijke toestemming van Shell International Ltd.

Het ontwerpen van een fabriek is een teamproject en chemici, fabrieksontwerpers en chemisch ingenieurs selecteren geschikte materialen voor de bouw van de fabriek. Hoewel het algemene beeld is dat chemische fabrieken zijn gemaakt van glanzend staal, worden bij de bouw ervan vele andere materialen gebruikt, waaronder een grote verscheidenheid aan metalen, kunststoffen, glas en rubber. Aangezien bouwmaterialen zelf chemicaliën zijn, is het van essentieel belang materialen te kiezen die niet reageren met de chemicaliën die bij het proces betrokken zijn, om gevaarlijke interacties, het uitvallen van de fabriek of de verontreiniging van het product te voorkomen.

Bouwmaterialen moeten

• inert zijn voor reactanten, tussenproducten en producten
• indien nodig bestand zijn tegen zeer hoge druk en temperatuur
• duurzaam.

De chemische industrie: hoe veilig en hoe milieugereguleerd?

Veiligheid moet boven aan de agenda van de chemische industrie staan en dat is niet voor niets. Veel van haar produkten zijn in een bepaald stadium van hun vervaardiging en vervoer potentieel gevaarlijk. Deze chemicaliën kunnen vaste stoffen, vloeistoffen of gassen zijn, ontvlambaar, explosief, corrosief en/of giftig. Bij het fabricageproces zijn vaak hoge temperaturen, hoge drukken en reacties betrokken die gevaarlijk kunnen zijn, tenzij zij zorgvuldig worden beheerst. Daarom werkt de industrie binnen de veiligheidsgrenzen die door nationale en internationale wetgeving worden voorgeschreven.

Figuur 10 Waterstoffluoride is een zeer corrosieve vloeistof. Hier wordt het automatisch
geladen in een tankwagen.
Met vriendelijke toestemming van Mexichem Fluor.

Risico’s en verwondingen

Ondanks het feit dat de chemische industrie met gevaarlijke activiteiten te maken heeft, is het aantal ongevallen in deze sector lager dan in de industrie als geheel. Tussen 1995 en 2005 waren er in de gehele Europese productiesector meer dan 4 verwondingen per 1000 werknemers, twee keer zoveel als in de chemische industrie. Amerikaanse gegevens, geregistreerd als verloren dagen door ongevallen, laten een nog groter verschil zien; het aantal dagen dat in grote bedrijven in de chemische industrie verloren gaat door ongevallen is 4 keer lager dan in de industrie in het algemeen.

Figuur 11 Personeel krijgt uitgebreide training in het gebruik van veiligheidskleding en -uitrusting. Op deze foto wordt onderhoud gepleegd aan een reactor die wordt gebruikt voor de productie van fluorwaterstofalkanen. Met vriendelijke toestemming van Arkema.

Milieuvoorschriften

Er bestaat ernstige bezorgdheid over de mogelijke gevolgen van bepaalde geproduceerde chemische stoffen voor levende organismen, waaronder wijzelf, en voor het natuurlijke milieu. Deze bezorgdheid betreft lucht-, land- en zeeverontreiniging, opwarming van de aarde en klimaatverandering, aantasting van de ozonlaag in de bovenste atmosfeer en zure regen.

De chemische industrie heeft een wereldwijd initiatief onder de naam Responsible Care. Het begon in 1984 in Canada en wordt nu in meer dan 60 landen toegepast. Het verplicht nationale verenigingen en bedrijven in de chemische industrie tot:

• Continue verbetering van de kennis en prestaties op het gebied van milieu, gezondheid, veiligheid en beveiliging van onze technologieën, processen en producten gedurende hun levenscyclus, om schade aan mens en milieu te voorkomen.
• Efficiënt gebruik van hulpbronnen en minimalisering van afval.
• Een open verslag uitbrengen over prestaties, prestaties en tekortkomingen.
• Luisteren, betrokken zijn bij en samenwerken met mensen om hun zorgen en verwachtingen te begrijpen en aan te pakken.
• Samenwerken met regeringen en organisaties bij de ontwikkeling en implementatie van effectieve regelgeving en normen, en om daaraan te voldoen of verder te gaan.
• Hulp en advies bieden ter bevordering van een verantwoord beheer van chemische stoffen door allen die deze in de productketen beheren en gebruiken.

In de VS besteden chemische bedrijven meer dan $ 12 miljard per jaar aan milieu-, gezondheids- en veiligheidsprogramma’s. Dit heeft er bijvoorbeeld toe geleid dat het vrijkomen van gevaarlijke stoffen in de lucht, op het land en in het water in de afgelopen 25 jaar met 80 procent is gedaald. Een andere milieumaatregel betreft het gebruik van energie. In de 20 jaar vanaf 1994 heeft de chemische industrie in de VS ongeveer 20% energie per productie-eenheid bespaard en in dezelfde periode is de energiebesparing per productie-eenheid in de EU met 55% gedaald. De uitstoot van broeikasgassen per eenheid productie (de broeikasgasintensiteit) is tussen 1990 en 2014 in de VS en de EU met respectievelijk 58% en 75% gedaald.

In elk groot land zijn regels van kracht. In Europa worden ze afgedwongen via REACH (Registratie, Evaluatie, Autorisatie en Beperking van Chemische stoffen). Zij veranderen fundamenteel de manier waarop chemische stoffen worden gemaakt, verkocht en gebruikt, door één gestandaardiseerd kader te bieden voor het veilig beheer van chemische stoffen. REACH legt de verantwoordelijkheid bij zowel fabrikanten als importeurs om ervoor te zorgen dat alle chemische stoffen die in hoeveelheden van meer dan een ton per jaar worden geproduceerd, geen nadelige gevolgen hebben voor de volksgezondheid of het milieu. De industrie verstrekt uitgebreide gedocumenteerde informatie voor alle in aanmerking komende chemische stoffen en verwante stoffen, zodat de gebruikers van de chemische stoffen ervoor kunnen zorgen dat er adequate controles worden uitgevoerd. Chemische stoffen die in hoeveelheden van 1000 ton of meer per jaar worden geproduceerd, moeten uiterlijk in december 2010 zijn geregistreerd en chemische stoffen van meer dan 1 ton moeten uiterlijk in juni 2018 zijn geregistreerd.

Nauwelijks een klein deel van het chemisch afval is toxisch of gevaarlijk. De meeste daarvan, samen met materialen die bestand zijn tegen natuurlijke afbraak, worden bij hoge temperatuur verbrand. Waar mogelijk levert het afval zelf de brandstof voor dit proces. De geproduceerde gassen worden grondig gereinigd en “gezuiverd” voordat ze in de atmosfeer terechtkomen, zodat alleen as overblijft die moet worden verwijderd. Voorbeelden van hoe met bijproducten wordt omgegaan, zijn te zien in de eenheden op deze website.

Wat zijn de uitdagingen voor de chemische industrie vandaag?

De chemische industrie ondergaat wereldwijd enorme veranderingen. Zoals we hierboven hebben gezien, betreft een ervan de opkomst van landen in het Midden-Oosten en China, India en Brazilië als fabrikanten van chemicaliën op mammoetschaal, voor eigen gebruik en ook voor de export wereldwijd. Bedrijven in deze landen investeren ook in fabrieken in de VS en Europa, terwijl bedrijven in de VS en Europa investeren in fabrieken in deze grote opkomende landen, waardoor de industrie in haar geheel volledig internationaal wordt in de manier waarop zij zaken doet. De uitdaging voor de bedrijven in de VS en Europa bestaat erin hun kosten te drukken en er tegelijkertijd voor te zorgen dat zij zich houden aan de beste praktijken op het gebied van milieubescherming. Deze bezorgdheid over het milieu wordt besproken in de afzonderlijke eenheden over afzonderlijke chemische stoffen.

Een nieuwe revolutie wenkt. Nu aardolie en aardgas steeds schaarser en duurder worden, zoeken chemici naar nieuwe grondstoffen om aardolie en aardgas aan te vullen of zelfs te vervangen. En zij herontdekken de deugden van steenkool (nog steeds in enorme voorraden, hoewel het een fossiele brandstof is die niet kan worden vervangen) en biomassa.

Dus is de cirkel rond. Aan het eind van de 19e en het eerste deel van de 20e eeuw was de organisch-chemische industrie grotendeels gebaseerd op steenkool en biomassa. Steenkool werd sterk verhit in afwezigheid van lucht om kolengas te vormen (een mengsel van waterstof, methaan en koolmonoxide). Als bijproduct werd een vloeistof (koolteer) gevormd die veel nuttige organische chemicaliën bevatte, waaronder benzeen, en het vaste residu was cokes, een onzuivere vorm van koolstof. Cokes was de bron van wat wij nu synthesegas noemen. Stoom werd er bij hoge temperaturen overheen geleid om koolmonoxide en waterstof te produceren. Een andere bron van organische chemicaliën was biomassa. De bron van veel C2-chemicaliën was bijvoorbeeld ethanol, geproduceerd door fermentatie van biomassa. C3 en C4 chemicaliën zoals propanon en butanol werden ook op grote schaal geproduceerd door fermentatie van biomassa.

Sindsdien, vanaf de jaren veertig, heeft de industrie steeds betere manieren gevonden om de producten van de olieraffinage te gebruiken voor de productie van niet alleen alle bovengenoemde chemische stoffen, maar nog veel meer. Een voorbeeld hiervan is de groei van de petrochemische industrie, met een scala van nieuwe polymeren, detergenten en talloze gesofisticeerde chemicaliën die tegen lage kosten worden geproduceerd.

Misschien ligt de grootste uitdaging daarom in het vinden van manieren om onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare hulpbronnen te verminderen. Naarmate de olie- en aardgasvoorraden slinken, moeten wij dus manieren vinden om de oudere, op biomassa gebaseerde technologieën te gebruiken om chemicaliën te produceren op een zo milieuvriendelijk mogelijke manier, in termen van verbruikte energie en geproduceerd afvalwater. Zo worden bijvoorbeeld etheen en een reeks polymeren, alsmede zeer grote hoeveelheden ethanol, thans uit biomassa geproduceerd.

Een andere uitdaging is het verminderen van onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare hulpbronnen voor de produktie van energie. De gemakkelijkste manier om dit te doen is manieren te vinden om onze chemische fabrieken op lagere temperaturen te laten werken met behulp van katalysatoren of door alternatieve routes te gebruiken. Zoals in het vorige hoofdstuk is opgemerkt, is hiermee reeds een begin gemaakt. Het verbruik van energie per produktie-eenheid is in de EU sinds 1994 met ongeveer 55% gedaald en in de VS sinds 1990 met ongeveer 22%. Als gevolg daarvan is de uitstoot van kooldioxide in dezelfde periode met ongeveer hetzelfde percentage gedaald.

De nieuwe, op nanomaterialen gebaseerde technologieën zullen ook een vooraanstaande plaats innemen in de toekomstige vooruitgang van de chemische industrie en het zal belangrijk zijn ervoor te zorgen dat de produktie van deze revolutionaire materialen veilig is en economisch voordeel oplevert.

De chemische industrie staat in de 21e eeuw voor vele uitdagingen die moeten worden overwonnen om in het hart van elk groot land te kunnen blijven functioneren. Alleen op die manier kan de industrie de samenleving helpen haar levensstandaard te handhaven en te verbeteren en dat op een duurzame manier.

Veel van de in deze eenheid gebruikte gegevens zijn ontleend aan gepubliceerd werk van de CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, de Europese Raad voor de Chemische Industrie) en de American Chemical Council.