Nitrobenzen produkuje się metodą okresową: do nitratora z benzenem dozuje się mieszaninę nitrującą (kwas azotowy(V) i kwas siarkowy(VI) jako środek odwadniający) poniżej 30 °C, potem prowadzi proces właściwy w 70÷80 °C. Surowy nitrobenzen oddziela się od kwasu ponitracyjnego, przemywa wodą, zobojętnia roztworem sody i destyluje pod zmniejszonym ciśnieniem. Trzeba wypełnić kartę technologiczną, opisać schemat ideowy i schemat instalacji, policzyć zapotrzebowanie na kwas azotowy(V), masy wody i nitrobenzenu dla 50 kg benzenu, ustalić skład procentowy mieszaniny nitrującej i zestawić parametry w punktach kontroli.
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.
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. Wyniki w tabelach 4 i 5 podaję z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku i do kolejnych obliczeń biorę wartości już zaokrąglone - klucz uznaje wyniki, które są konsekwencją wcześniejszych wartości.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 43 kryteria w 6 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 33 punktów - można stracić 10 kryteriów i nadal zdać. Najwięcej punktów (10) daje karta technologiczna.
Kroki 1-5 · po tym etapie masz 10 z 43 kryteriów (pkt)
Opracuj dokumentację dotyczącą produkcji nitrobenzenu metodą okresową. W tym celu wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Proces: produkcja nitrobenzenu, a metoda wynika z tytułu opisu - metoda okresowa (cały benzen wprowadza się do nitratora naraz, a wsad spuszcza się po zakończeniu procesu).
Opracuj dokumentację dotyczącą produkcji nitrobenzenu metodą okresową. W tym celu wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Równanie jest w arkuszu jako rysunek wzorów (z H₂SO₄ nad strzałką - kwas siarkowy(VI) jest środkiem odwadniającym, nie substratem). Zapisuję je wzorami sumarycznymi: C₆H₆ + HNO₃ ⇄ C₆H₅NO₂ + H₂O. Grupa nitrowa zastępuje jeden atom wodoru, a wodór z tlenem grupy OH kwasu dają wodę.
Opracuj dokumentację dotyczącą produkcji nitrobenzenu metodą okresową. W tym celu wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Do instalacji wprowadza się benzen i mieszaninę nitrującą, a mieszanina składa się z kwasu azotowego(V) i kwasu siarkowego(VI).
Wpisanie wody albo sody jako substratu - służą do przemywania i zobojętniania produktu, nie do reakcji.
Opracuj dokumentację dotyczącą produkcji nitrobenzenu metodą okresową. W tym celu wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Z wykazu danych: nadmiar kwasu azotowego w stosunku do ilości stechiometrycznej - 2 %. Produkt główny: nitrobenzen.
Opracuj dokumentację dotyczącą produkcji nitrobenzenu metodą okresową. W tym celu wypełnij kartę technologiczną – Tabela 1.
Surowy nitrobenzen przemywa się najpierw wodą, potem roztworem sody aż do zobojętnienia. Produkt wydziela się przez destylację pod zmniejszonym ciśnieniem, a wydajność procesu z wykazu danych to 98 %.
Kroki 6-7 · po tym etapie masz 17 z 43 kryteriów (pkt)
Uzupełnij opis uproszczonego schematu ideowego procesu – Tabela 2.
Obok mieszaniny nitrującej do pierwszego bloku wchodzi benzen (A), a blok B to nitrowanie. Po rozdzielaniu odpływa do trójkąta C kwas ponitracyjny, kierowany do denitracji i zatężania.
Uzupełnij opis uproszczonego schematu ideowego procesu – Tabela 2.
Blok D z dopływem wody to przemywanie, a do neutralizacji dopływa E - roztwór sody. F to destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem (przez chłodzenie odbiera się lotny benzen), a trójkąt G to produkt: nitrobenzen.
Kroki 8-9 · po tym etapie masz 22 z 43 kryteriów (pkt)
Uzupełnij opis uproszczonego schematu instalacji – Tabela 3.
Aparat 4 z półkami i odbiorem nitrobenzenu u dołu to Kolumna destylacyjna. Mieszalnik z mieszadłem, do którego trafia surowy nitrobenzen, ma numer 3, a zbiornik 1 z mieszadłem i płaszczem chłodzącym, do którego wchodzą benzen i mieszanina nitrująca - Nitrator.
Uzupełnij opis uproszczonego schematu instalacji – Tabela 3.
Zbiornik stożkowy pod nitratorem, z którego odchodzą kwas ponitracyjny i surowy nitrobenzen, to separator - 2. Wymiennik z wężownicą na górze kolumny, z którego odbiera się benzen, to chłodnica - 5. Rozpoznanie aparatów po symbolach to wiedza ogólna z rysunku technologicznego.
Kroki 10-16 · po tym etapie masz 30 z 43 kryteriów (pkt)
Sporządź zapotrzebowanie na surowce niezbędne do produkcji nitrobenzenu oraz oblicz masy otrzymanych produktów – Tabela 4.
Masę benzenu przepisuję z wykazu danych: 50 kg - od niej liczę wszystkie pozostałe wiersze.
Sporządź zapotrzebowanie na surowce niezbędne do produkcji nitrobenzenu oraz oblicz masy otrzymanych produktów – Tabela 4.
Z równania 1 kmol benzenu (78 kg) reaguje z 1 kmol HNO₃ (63 kg): 50 · 63 / 78 = 40,38 kg czystego kwasu.
Sporządź zapotrzebowanie na surowce niezbędne do produkcji nitrobenzenu oraz oblicz masy otrzymanych produktów – Tabela 4.
Najpierw nadmiar 2%: 40,38 · 1,02 = 41,19 kg HNO₃ (100%). Kwas ma stężenie 92%, więc roztworu potrzeba 41,19 / 0,92 = 44,77 kg.
Pominięcie nadmiaru albo stężenia - tabela pyta o kwas „o określonym stężeniu i z uwzględnieniem założonego nadmiaru”.
Sporządź zapotrzebowanie na surowce niezbędne do produkcji nitrobenzenu oraz oblicz masy otrzymanych produktów – Tabela 4.
Kwas 92% zawiera 8% wody: 44,77 · 0,08 = 3,58 kg (to samo co 44,77 - 41,19).
Sporządź zapotrzebowanie na surowce niezbędne do produkcji nitrobenzenu oraz oblicz masy otrzymanych produktów – Tabela 4.
Na 1 kmol benzenu powstaje 1 kmol wody (18 kg): 50 · 18 / 78 = 11,54 kg przy wydajności 100%, a przy 98%: 11,54 · 0,98 = 11,31 kg.
Podanie 11,54 kg - tabela pyta o wodę powstałą przy założonej wydajności procesu (98%).
Sporządź zapotrzebowanie na surowce niezbędne do produkcji nitrobenzenu oraz oblicz masy otrzymanych produktów – Tabela 4.
Kwasu siarkowego(VI) 95% wprowadza się 43,06 kg (wykaz danych), wody jest w nim 5%: 43,06 · 0,05 = 2,15 kg.
Sporządź zapotrzebowanie na surowce niezbędne do produkcji nitrobenzenu oraz oblicz masy otrzymanych produktów – Tabela 4.
Z 1 kmol benzenu (78 kg) powstaje 1 kmol nitrobenzenu (123 kg): 50 · 123 / 78 = 78,85 kg, a przy wydajności 98%: 78,85 · 0,98 = 77,27 kg.
Kroki 17-19 · po tym etapie masz 37 z 43 kryteriów (pkt)
Określ skład procentowy mieszaniny nitrującej – Tabela 5.
W górnej części tabeli przepisuję kwasy techniczne i wodę, którą wnoszą: HNO₃ 92% - 44,77 kg i 3,58 kg wody (z tabeli 4), H₂SO₄ 95% - 43,06 kg i 2,15 kg wody.
Określ skład procentowy mieszaniny nitrującej – Tabela 5.
Czysty kwas to masa kwasu technicznego minus jego woda: HNO₃ 44,77 - 3,58 = 41,19 kg, H₂SO₄ 43,06 - 2,15 = 40,91 kg, a woda w mieszaninie to suma wody z obu kwasów: 3,58 + 2,15 = 5,73 kg.
Określ skład procentowy mieszaniny nitrującej – Tabela 5.
Masa mieszaniny to suma składników: 41,19 + 40,91 + 5,73 = 87,83 kg. Udziały: HNO₃ 41,19 / 87,83 = 46,90 %, H₂SO₄ 40,91 / 87,83 = 46,58 %, H₂O 5,73 / 87,83 = 6,52 %; razem 100,00 % - kontrola.
Udziały liczone od mas kwasów technicznych (44,77 i 43,06 kg) zamiast od składników 100% - procenty muszą sumować się do 100.
Kroki 20-22 · po tym etapie masz 43 z 43 kryteriów (pkt)
Sporządź wykaz wartości parametrów procesu w wybranych punktach kontroli – Tabela 6.
Podczas dozowania mieszaniny nitrującej temperatura nie może przekroczyć 30 °C - wpisuję ≤ 30. W procesie właściwym podnosi się ją do 70÷80 °C.
Sporządź wykaz wartości parametrów procesu w wybranych punktach kontroli – Tabela 6.
Proces jest zakończony, gdy gęstość kwasu ponitracyjnego osiągnie 1620 kg/m³, a zawartość HNO₃ nie przekracza 1% - wpisuję ≤ 1.
Sporządź wykaz wartości parametrów procesu w wybranych punktach kontroli – Tabela 6.
Nitrobenzen przemywa się roztworem sody „aż do całkowitego zobojętnienia”, więc odczyn przed kolumną: obojętny. Gęstość nitrobenzenu po destylacji: 1200÷1205 kg/m³.
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.