Kwas azotowy(V) produkuje się przez katalityczne utlenianie amoniaku powietrzem na siatkach platynowo-rodowych, utlenianie NO do NO₂ i absorpcję tlenków azotu w wodzie - w wersji z utlenianiem pod 0,4 MPa i absorpcją pod 0,8 MPa. Trzeba wypełnić kartę technologiczną, policzyć zapotrzebowanie na amoniak i powietrze do produkcji 2 500 kg 50-procentowego kwasu, opisać uproszczony schemat blokowy, zestawić parametry z punktami kontroli i dobrać środki ochrony indywidualnej przy pracy z amoniakiem.
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: w tabelach 3 ÷ 5 klucz przyjmuje kilka określeń tego samego (np. „bielenie” albo „desorpcja”), a w tabeli 4 kolejność wierszy jest dowolna - każdy wiersz musi jednak łączyć właściwe miejsce, parametr i wartość z jednostką.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 34 kryteria w 5 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 26 punktów - można stracić 8 kryteriów i nadal zdać. Najwięcej punktów (10) daje tabela 3 z opisem schematu blokowego.
Kroki 1-5 · po tym etapie masz 9 z 34 kryteriów (pkt)
Sporządź kartę technologiczną procesu – uzupełnij tabelę 1.
Równanie sumaryczne podaje opis „Podstawy procesu”: NH₃ + 2O₂ → HNO₃ + H₂O - to suma trzech etapów (utlenianie amoniaku, utlenianie NO, absorpcja). Katalizatorem utleniania amoniaku jest katalizator platynowo-rodowy (siatki Pt-Rh).
Wpisanie równania pierwszego etapu (4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O) zamiast sumarycznego.
Sporządź kartę technologiczną procesu – uzupełnij tabelę 1.
Powietrze „oczyszcza się z pyłu w filtrach” - sposób: filtracja (odpylanie). Do reaktora wchodzi mieszanina z mieszalnika: powietrze i amoniak (gazowy, po odparowaniu).
Sporządź kartę technologiczną procesu – uzupełnij tabelę 1.
Gazy nitrozowe chłodzą się kolejno: przepływając przez rurki kotła parowego, potem w wymienniku ciepła i w chłodnicy wodnej (do 30 ÷ 35 °C). Wiersz dopuszcza kilka miejsc, więc wpisuję wszystkie trzy z opisu.
Sporządź kartę technologiczną procesu – uzupełnij tabelę 1.
Przy chłodzeniu wykrapla się woda, w której absorbuje się część NO₂ - powstaje rozcieńczony kwas o stężeniu około 10%. Gazy po absorpcji oczyszcza się metodą „katalitycznej redukcji tlenków azotu” wodorem lub gazem ziemnym - wpisuję katalityczna redukcja.
Sporządź kartę technologiczną procesu – uzupełnij tabelę 1.
Brunatne zabarwienie daje rozpuszczony tlenek azotu(IV), który usuwa się w wieży bielącej przeciwprądowo powietrzem - to bielenie. Gotowy produkt to kwas 50%.
Kroki 6-10 · po tym etapie masz 14 z 34 kryteriów (pkt)
Korzystając z zamieszczonego wykazu danych technologicznych, oblicz zapotrzebowanie na surowce do produkcji 2 500 kg 50% kwasu azotowego(V) – uzupełnij tabelę 2.
Roztwór 50-procentowy zawiera połowę masy czystego HNO₃: 2500 · 50 / 100 = 1250 kg.
Korzystając z zamieszczonego wykazu danych technologicznych, oblicz zapotrzebowanie na surowce do produkcji 2 500 kg 50% kwasu azotowego(V) – uzupełnij tabelę 2.
Z równania sumarycznego 1 kmol NH₃ (17 kg) daje 1 kmol HNO₃ (63 kg). Proporcja: 1250 · 17 / 63 = 337,30 → 337 kg.
Korzystając z zamieszczonego wykazu danych technologicznych, oblicz zapotrzebowanie na surowce do produkcji 2 500 kg 50% kwasu azotowego(V) – uzupełnij tabelę 2.
Przy wydajności 95% amoniaku trzeba więcej: 337 / 0,95 = 354,74 → 355 kg (biorę wynik zaokrąglony z poprzedniego wiersza, jak każe arkusz).
Korzystając z zamieszczonego wykazu danych technologicznych, oblicz zapotrzebowanie na surowce do produkcji 2 500 kg 50% kwasu azotowego(V) – uzupełnij tabelę 2.
1 kmol gazu w warunkach normalnych zajmuje 22,4 m³. Liczba kilomoli NH₃: 355 / 17, objętość: 355 · 22,4 / 17 = 467,76 → 468 m³.
Korzystając z zamieszczonego wykazu danych technologicznych, oblicz zapotrzebowanie na surowce do produkcji 2 500 kg 50% kwasu azotowego(V) – uzupełnij tabelę 2.
Amoniak stanowi 10,5% objętości mieszaniny z powietrzem, więc 468 m³ to 10,5% całej mieszaniny: 468 · 100 / 10,5 = 4457 m³. Powietrze to reszta: 4457 - 468 = 3989 m³ (to samo daje proporcja 468 · 89,5 / 10,5).
Wpisanie 4457 m³ - to objętość całej mieszaniny amoniakalno-powietrznej, a nie samego powietrza.
Kroki 11-14 · po tym etapie masz 24 z 34 kryteriów (pkt)
Na podstawie rysunku 1 oraz opisu przebiegu procesu uzupełnij opis uproszczonego schematu blokowego procesu produkcji 50% kwasu azotowego(V) – tabela 3.
Okręgi na schemacie to strumienie wejściowe. A przechodzi przez sprężanie (turbosprężarka b) - to powietrze, B dołącza przed blokiem C - to amoniak. Blok C, w którym mieszanina przepływa przez siatki Pt-Rh, to utlenianie amoniaku.
Na podstawie rysunku 1 oraz opisu przebiegu procesu uzupełnij opis uproszczonego schematu blokowego procesu produkcji 50% kwasu azotowego(V) – tabela 3.
Blok D z wodą chłodzącą to chłodnica gazów nitrozowych - chłodzenie. Blok E ma też wodę chłodzącą, ale odpowiada kolumnie 6 z rysunku 1: „kolumna utleniająca NO do NO₂, chłodzona wodą” - wpisuję utlenianie (klucz przyjmuje też „chłodzenie”).
Na podstawie rysunku 1 oraz opisu przebiegu procesu uzupełnij opis uproszczonego schematu blokowego procesu produkcji 50% kwasu azotowego(V) – tabela 3.
Kolumna absorpcyjna jest „zraszana wodą” - okrąg F to woda, a blok G, z którego uchodzą gazy odlotowe, to absorpcja tlenków azotu.
Na podstawie rysunku 1 oraz opisu przebiegu procesu uzupełnij opis uproszczonego schematu blokowego procesu produkcji 50% kwasu azotowego(V) – tabela 3.
Kwas z kolumny absorpcyjnej idzie do wieży bielącej - blok H: bielenie (desorpcja). Z bielenia uchodzi powietrze z usuniętym tlenek azotu(IV) - strumień I. Trójkąt J to produkt: kwas azotowy(V).
Kroki 15-17 · po tym etapie masz 30 z 34 kryteriów (pkt)
Sporządź wykaz wartości parametrów ze wskazaniem punktów kontroli – uzupełnij tabelę 4.
Każdy wiersz łączy miejsce pomiaru, parametr i wartość z jednostką. Reaktor pracuje pod ciśnieniem 0,4 MPa, a na siatkach platynowo-rodowych utlenianie zachodzi w temperaturze około 800°C.
Wartość bez jednostki - kolumna wymaga „wartości wraz z jednostką”.
Sporządź wykaz wartości parametrów ze wskazaniem punktów kontroli – uzupełnij tabelę 4.
W chłodnicy wodnej gazy ochładzają się do 30÷35°C, a w oddzielaczu oddziela się rozcieńczony kwas - kontroluje się jego stężenie: 10%.
Sporządź wykaz wartości parametrów ze wskazaniem punktów kontroli – uzupełnij tabelę 4.
Gaz z oddzielacza spręża się do 0,8 MPa - pod tym ciśnieniem pracuje kolumna dotleniająca. Z dołu kolumny absorpcyjnej odbiera się kwas o stężeniu 50%.
Kroki 18-19 · po tym etapie masz 34 z 34 kryteriów (pkt)
Korzystając z zamieszczonego wyciągu z karty charakterystyki substancji niebezpiecznej – amoniaku, dobierz środki ochrony indywidualnej dla pracowników mających styczność z tym surowcem – uzupełnij tabelę 5.
Środki ochrony są w sekcji 8.2.2 karty amoniaku. Oczy i twarz: gogle, maska twarzowa (przy przeładunku i rozłączaniu połączeń). Ręce: karta wymienia kilka rodzajów rękawic; klucz uznaje rękawice robocze stosowane przy pracy z pojemnikami gazowymi.
Korzystając z zamieszczonego wyciągu z karty charakterystyki substancji niebezpiecznej – amoniaku, dobierz środki ochrony indywidualnej dla pracowników mających styczność z tym surowcem – uzupełnij tabelę 5.
Ciało („inne”): obuwie ochronne, chemoodporna odzież ochronna. Drogi oddechowe: przy krótkotrwałym przekroczeniu narażenia filtry gazowe, maska pełnotwarzowa (filtr K, zielony). Izolujący aparat oddechowy karta przewiduje na nieznane narażenie i niedobór tlenu.
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.