Anilinę otrzymuje się przez katalityczną redukcję nitrobenzenu wodorem w fazie gazowej: sprężony i ogrzany wodór odparowuje nitrobenzen (z dodatkiem surowej aniliny), mieszanina reaguje w rurach reaktora na katalizatorze miedziowym w 170-250 °C, a po schłodzeniu i rozdzieleniu surową anilinę oczyszcza się destylacją pod zmniejszonym ciśnieniem. Trzeba wypełnić kartę technologiczną, policzyć zapotrzebowanie na nitrobenzen i wodór do 1 tony aniliny, opisać schemat technologiczny i narysować schemat blokowy procesu.
Model „d”, czyli dokumentacja na papierze. Zdający wpisuje ręcznie do tabel wydrukowanych w arkuszu nazwy procesów, operacji i aparatów, równania reakcji, wartości parametrów, obliczenia i środki ochrony indywidualnej. W podglądzie tłem jest strona arkusza, wpisy zdającego są granatowe i odręczne, a pola wpisane w bieżącym kroku są podświetlone na żółto. Kroki idą za kolejnością tabel w arkuszu, a w obrębie tabeli - za kryteriami klucza. Schemat blokowy na stronie 8 rysuje zdający - w podglądzie jest narysowany granatową linią, blok po bloku.
Skąd brać odpowiedzi. Prawie wszystko jest w arkuszu: opis procesu (równania, parametry, aparaty), wykaz danych technologicznych (masy molowe, gęstości, wydajność), schematy i wyciąg z karty charakterystyki. Obliczenia policzyłem w skrypcie i porównałem z kluczem oceniania CKE; zaokrąglam tak, jak każe arkusz, i do kolejnego etapu biorę wynik już zaokrąglony. Wpisy słowne są sprawdzone z tekstem kryteriów klucza. Indeksy we wzorach piszę jako indeksy dolne (H₂O) - na egzaminie tak samo, odręcznie.
To jedno z możliwych rozwiązań: schemat blokowy można narysować w innym układzie, byle zawierał substraty, wszystkie operacje we właściwej kolejności, zawracanie surowej aniliny i produkt - tak go ocenia klucz.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 35 kryteriów w 4 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 27 punktów - można stracić 8 kryteriów i nadal zdać. Karta technologiczna, opis schematu i schemat blokowy dają po 10 punktów, obliczenia - 5.
Kroki 1-7 · po tym etapie masz 10 z 35 kryteriów (pkt)
Na podstawie skróconego opisu procesu technologicznego oraz wykazu danych do wykonywania obliczeń wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Równanie jest w arkuszu wzorami strukturalnymi. Zapisuję je wzorami grupowymi: grupa nitrowa redukuje się do aminowej, zużywając 3 cząsteczki wodoru i dając 2 cząsteczki wody: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O.
Na podstawie skróconego opisu procesu technologicznego oraz wykazu danych do wykonywania obliczeń wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Metoda: katalityczna redukcja nitrobenzenu wodorem (opis: redukcja w obecności katalizatorów). Do instalacji wprowadza się wodór, nitrobenzen - surowa anilina krąży wewnątrz instalacji, nie jest surowcem z zewnątrz.
Na podstawie skróconego opisu procesu technologicznego oraz wykazu danych do wykonywania obliczeń wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Najczęściej stosuje się katalizator miedziowy na żelu krzemionkowym, a według opisu przebiegu znajduje się on w rurach reaktora (mieszaninę kieruje się do przestrzeni rurowej).
Na podstawie skróconego opisu procesu technologicznego oraz wykazu danych do wykonywania obliczeń wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Mieszaninę wprowadza się do reaktora w 170-250 °C (zależnie od aktywności katalizatora) i pod ciśnieniem 0,1-0,2 MPa.
Na podstawie skróconego opisu procesu technologicznego oraz wykazu danych do wykonywania obliczeń wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Zbyt gwałtownemu przebiegowi zapobiega dodanie aniliny do nitrobenzenu (do 20%). Reaktor chłodzi cyrkulujący nośnik ciepła (np. dowtherm w przestrzeni międzyrurowej), tak aby gazy wychodzące z reaktora miały maksymalnie 350 °C.
Na podstawie skróconego opisu procesu technologicznego oraz wykazu danych do wykonywania obliczeń wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Wykaz zbieram z opisu w trzech miejscach: sprężarka - ciśnienie wodoru 35 MPa, reaktor - temperatura mieszaniny 170-250 °C i ciśnienie 0,1-0,2 MPa, wylot z reaktora - temperatura poniżej 350 °C. Każdy punkt z wartością parametru, bo o to pyta wiersz.
Same nazwy miejsc bez wartości parametrów - wiersz wymaga wykazu „uwzględniającego wartości tych parametrów”.
Na podstawie skróconego opisu procesu technologicznego oraz wykazu danych do wykonywania obliczeń wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Ostatnie zdanie opisu: surową anilinę oczyszcza się przez destylację pod zmniejszonym ciśnieniem.
Kroki 8-10 · po tym etapie masz 15 z 35 kryteriów (pkt)
Oblicz zapotrzebowanie na surowce niezbędne do wyprodukowania 1 tony aniliny – Tabela 2.
Z równania 1 kmol nitrobenzenu (123 kg) daje 1 kmol aniliny (93 kg): 1000 · 123 / 93 = 1322,58, czyli 1323 kg. Przy wydajności 98% surowca trzeba więcej: 1323 / 0,98 = 1350 kg.
Oblicz zapotrzebowanie na surowce niezbędne do wyprodukowania 1 tony aniliny – Tabela 2.
n = m / M = 1350 / 123 = 10,98, po zaokrągleniu do liczby całkowitej 11 kmol.
Oblicz zapotrzebowanie na surowce niezbędne do wyprodukowania 1 tony aniliny – Tabela 2.
Wykaz danych podaje praktyczne zużycie: 10 kmol wodoru na 1 kmol nitrobenzenu (wodór idzie w dużym nadmiarze), więc 11 · 10 = 110 kmol, a masa: 110 · 2 = 220 kg.
Liczenie wodoru z równania (3 kmol na 1 kmol nitrobenzenu, czyli 33 kmol) - tabela pyta o zużycie, a wykaz danych podaje zużycie praktyczne 10 kmol.
Kroki 11-13 · po tym etapie masz 25 z 35 kryteriów (pkt)
Sporządź opis uproszczonego schematu technologicznego procesu produkcji aniliny – Tabela 3.
Na schemacie wodór świeży i obiegowy tłoczy sprężarka (dmuchawa) - 1, a ogrzewa go wymiennik ciepła - 2. Reaktor rurowy z pękiem rur ma numer 5.
Sporządź opis uproszczonego schematu technologicznego procesu produkcji aniliny – Tabela 3.
Numer 7 to symbol pompy (dwie na schemacie), numer 8 - chłodnice wodne gazów poreakcyjnych. Odparowywacz, do którego wchodzą ogrzany wodór i nitrobenzen ze zbiornika, ma numer 3, a odstojnik, z którego odbiera się surową anilinę i wodę anilinową - 10.
Sporządź opis uproszczonego schematu technologicznego procesu produkcji aniliny – Tabela 3.
Numer 4 to zbiornik nitrobenzenu, kocioł parowy (wytwarza parę z ciepła nośnika chłodzącego reaktor) - 6, a aparat 9, z którego odchodzi wodór obiegowy - separator. Rozpoznanie aparatów po symbolach to wiedza ogólna z rysunku technologicznego.
Kroki 14-20 · po tym etapie masz 35 z 35 kryteriów (pkt)
Narysuj schemat blokowy planowanych procesów przetwórczych przebiegających podczas otrzymywania aniliny metodą redukcji nitrobenzenu wodorem.
Schemat blokowy zaczynam od substratów w owalach: wodór i nitrobenzen. Owal to składnik wprowadzany, prostokąt - operacja, trójkąt - produkt (tak jak na schematach w innych arkuszach CHM.06).
Narysuj schemat blokowy planowanych procesów przetwórczych przebiegających podczas otrzymywania aniliny metodą redukcji nitrobenzenu wodorem.
Wodór najpierw się spręża (dmuchawa), potem ogrzewa w wymienniku. Oba bloki rysuję na linii wodoru - klucz daje punkt, gdy ze schematu wynika, że obie operacje dotyczą wodoru.
Blok „ogrzewanie” na linii nitrobenzenu albo po połączeniu strumieni - wtedy nie wynika, że chodzi o wodór.
Narysuj schemat blokowy planowanych procesów przetwórczych przebiegających podczas otrzymywania aniliny metodą redukcji nitrobenzenu wodorem.
Ogrzany wodór i nitrobenzen spotykają się w bloku odparowanie, a pary idą do redukcji w reaktorze.
Narysuj schemat blokowy planowanych procesów przetwórczych przebiegających podczas otrzymywania aniliny metodą redukcji nitrobenzenu wodorem.
Gazy z reaktora się chłodzi (wykraplają się anilina i woda), a potem oddziela (separator i odstojnik). Strzałki wodoru obiegowego i wody anilinowej to dopowiedzenie ze schematu technologicznego - klucz ich nie wymaga.
Narysuj schemat blokowy planowanych procesów przetwórczych przebiegających podczas otrzymywania aniliny metodą redukcji nitrobenzenu wodorem.
Część surowej aniliny wraca do odparowania razem z nitrobenzenem (do 20%), żeby redukcja nie przebiegała zbyt gwałtownie - rysuję to strzałką powrotną z bloku oddzielania.
Pominięcie strumienia zawracanej aniliny - to osobne kryterium klucza.
Narysuj schemat blokowy planowanych procesów przetwórczych przebiegających podczas otrzymywania aniliny metodą redukcji nitrobenzenu wodorem.
Surowa anilina z oddzielania przechodzi destylację pod zmniejszonym ciśnieniem, a schemat kończy produkt w trójkącie: anilina.
Narysuj schemat blokowy planowanych procesów przetwórczych przebiegających podczas otrzymywania aniliny metodą redukcji nitrobenzenu wodorem.
Ostatni punkt dostaje się za kolejność: sprężanie i ogrzewanie wodoru, odparowanie, redukcja, chłodzenie, oddzielanie, oczyszczanie. Sprawdzam, czy strzałki prowadzą w tej kolejności od substratów do produktu.
Chłodzenie narysowane przed redukcją albo odparowanie po niej - kolejność bloków musi odpowiadać przebiegowi procesu.
Symulacja ekranu w przeglądarce - w Android Studio / Visual Studio wygląd może się nieco różnić.
To jedno z możliwych rozwiązań. Egzaminator ocenia spełnienie kryteriów z klucza odpowiedzi, a nie zgodność z tym rozwiązaniem - inna, poprawna droga też daje punkty.
Autor rozwiązania: Bartosz Bryniarski. Licencja CC BY-NC 4.0 - kopiowanie i przeróbki do celów niekomercyjnych, z podaniem autora i źródła (link do tej strony) (zasady wykorzystania). Treść arkusza i klucza oceniania pochodzi z CKE.