Metanol produkuje się metodą średniociśnieniową z gazu syntezowego otrzymanego z gazu ziemnego: gaz o składzie H₂ 69%, CO 18%, CO₂ 10%, CH₄ 3% reaguje na katalizatorze w 300 °C i pod 7 MPa, a surowy metanol oczyszcza się we frakcjonowaniu i rektyfikacji. Trzeba wypełnić kartę technologiczną, rozpisać skład 600 m³ gazu na objętości i kilomole, policzyć dobową produkcję metanolu, opisać schemat instalacji, zestawić parametry w punktach kontroli i dobrać środki ochrony indywidualnej.
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: masę metanolu z reakcji (1) i (2) można liczyć z zaokrąglonej liczby kilomoli (154,24 i 85,76 kg) albo wprost z objętości (154,29 i 85,71 kg) - klucz przyjmuje oba warianty, a suma w obu wynosi 240,00 kg.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 44 kryteria w 6 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 33 punktów - można stracić 11 kryteriów i nadal zdać. Najwięcej punktów (10) daje tabela 4 z opisem schematu procesu.
Kroki 1-4 · po tym etapie masz 8 z 44 kryteriów (pkt)
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania metanolu – Tabela 1.
Proces: otrzymywanie metanolu. Metodę opis nazywa w pierwszym zdaniu - produkcja metanolu metodą średniociśnieniową (ciśnienie syntezy 5 ÷ 10 MPa, w odróżnieniu od dawnej metody wysokociśnieniowej).
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania metanolu – Tabela 1.
Wiersz dotyczy otrzymywania metanolu, nie gazu syntezowego - konwersja metanu z parą wodną tu nie pasuje. Pierwsza reakcja syntezy: CO + 2H₂ ⇄ CH₃OH. Strzałka równowagi, bo reakcja jest odwracalna.
Wpisanie równania CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ - to otrzymywanie gazu syntezowego, nie metanolu.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania metanolu – Tabela 1.
Druga reakcja to uwodornienie tlenku węgla(IV): CO₂ + 3H₂ ⇄ CH₃OH + H₂O. Bilans tlenu: 2 atomy po lewej, 1 + 1 po prawej.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania metanolu – Tabela 1.
Skład gazu syntezowego po korekcie: H₂ - 69%, CO - 18%, CO₂ - 10%, CH₄ - 3% (suma 100%). Z wykazu danych: zapotrzebowanie 600 m³ na dobę, gęstość surowego metanolu 791 kg/m³, zanieczyszczenia 4 %.
Kroki 5-7 · po tym etapie masz 17 z 44 kryteriów (pkt)
Podaj skład gazu syntezowego w warunkach normalnych – Tabela 2.
W pierwszej kolumnie wpisuję wzory czterech składników w kolejności z opisu: H₂, CO, CO₂, CH₄.
Podaj skład gazu syntezowego w warunkach normalnych – Tabela 2.
Procent objętościowy przeliczam na objętość ze 600 m³: H₂ 600 · 0,69 = 414 m³, CO 600 · 0,18 = 108 m³, CO₂ 600 · 0,10 = 60 m³, CH₄ 600 · 0,03 = 18 m³. Suma 600 m³ - kontrola.
Podaj skład gazu syntezowego w warunkach normalnych – Tabela 2.
Objętość molowa 22,4 dm³/mol to 22,4 m³/kmol, więc n = V / 22,4: H₂ 414 / 22,4 = 18,48, CO 108 / 22,4 = 4,82, CO₂ 60 / 22,4 = 2,68, CH₄ 18 / 22,4 = 0,80 kmol (dwa miejsca po przecinku).
Dzielenie przez 22,4 bez przeliczenia dm³/mol na m³/kmol daje wynik w molach zamiast kilomoli - jednostka w tabeli to kmol.
Kroki 8-13 · po tym etapie masz 23 z 44 kryteriów (pkt)
Wykonaj obliczenia dotyczące dobowej produkcji metanolu z gazu syntezowego – Tabela 3.
W reakcji (1) 1 kmol CO daje 1 kmol CH₃OH i zużywa 2 kmol H₂. Wodoru (18,48 kmol) wystarcza na CO i CO₂ razem (9,64 + 8,04 = 17,68 kmol), więc o ilości metanolu decyduje CO: 4,82 kmol · 32 kg/kmol = 154,24 kg/dobę.
Wykonaj obliczenia dotyczące dobowej produkcji metanolu z gazu syntezowego – Tabela 3.
W reakcji (2) 1 kmol CO₂ daje 1 kmol CH₃OH: 2,68 kmol · 32 kg/kmol = 85,76 kg/dobę.
Wykonaj obliczenia dotyczące dobowej produkcji metanolu z gazu syntezowego – Tabela 3.
Suma obu reakcji: 154,24 + 85,76 = 240,00 kg/dobę - z dwoma miejscami po przecinku, jak wymaga tabela.
Wykonaj obliczenia dotyczące dobowej produkcji metanolu z gazu syntezowego – Tabela 3.
Tu wydajność dotyczy produktu, więc mnożę: 240,00 · 0,95 = 228,00 kg/dobę czystego metanolu.
Dzielenie przez 0,95 - przy liczeniu surowców się dzieli, przy liczeniu produktu z danej ilości surowca się mnoży.
Wykonaj obliczenia dotyczące dobowej produkcji metanolu z gazu syntezowego – Tabela 3.
Surowy metanol zawiera 4% zanieczyszczeń, więc czysty metanol to 96% jego masy: 228,00 / 0,96 = 237,50 kg/dobę.
Pomnożenie przez 1,04 (237,12 kg) - 4% to udział w masie surowego produktu, nie dodatek do czystego.
Wykonaj obliczenia dotyczące dobowej produkcji metanolu z gazu syntezowego – Tabela 3.
V = m / d = 237,50 / 791 = 0,3003 m³, po zaokrągleniu 0,30 m³/dobę.
Kroki 14-16 · po tym etapie masz 33 z 44 kryteriów (pkt)
Uzupełnij opis uproszczonego schematu procesu produkcji metanolu – Tabela 4.
Odczytuję numery z rysunku 1 i opisu przepływu. Reaktor to kolumna z czterema złożami katalizatora - 5. Gaz syntezowy CO + H₂ wchodzi przez Turbokompresor (1), a gaz powrotny spręża Kompresor - 2.
Uzupełnij opis uproszczonego schematu procesu produkcji metanolu – Tabela 4.
Aparat 4 nad reaktorem ogrzewa gaz wejściowy gorącym strumieniem z reaktora - Wymiennik ciepła. Ten sam symbol z numerem 4 stoi na rysunku przy głowicach kolumn 9 i 10, ale opis wymienia tylko jeden wymiennik. Generator pary wysokoprężnej to aparat z doprowadzeniem „para” - 6, a rozdzielacz wysokociśnieniowy, w którym wykrapla się metanol - 8.
Uzupełnij opis uproszczonego schematu procesu produkcji metanolu – Tabela 4.
Adsorber ze złożem, przez który przechodzi mieszanina przed reaktorem - 3. Aparat 7 przed rozdzielaczem chłodzi strumień - Oziębiacz. Kolumna z odbiorem „lotnych produktów gazowych” to kolumna frakcyjna - 9, a kolumna 10 z odbiorem metanolu i wyższych alkoholi - Kolumna rektyfikacyjna. Rozpoznanie aparatów po symbolach to wiedza ogólna z rysunku technologicznego.
Zamiana kolumny frakcyjnej (9) z rektyfikacyjną (10) - kolejność wynika z opisu: najpierw usuwa się lotne składniki, potem wyższe alkohole.
Kroki 17-18 · po tym etapie masz 40 z 44 kryteriów (pkt)
Sporządź wykaz wartości parametrów procesu w wybranych punktach kontroli – Tabela 5.
Wartości przepisuję z opisu przebiegu procesu: gaz po turbokompresorze 5÷10 MPa, gaz w wymienniku ogrzewa się do 300 °C, w reaktorze panuje 300 °C i 7 MPa.
Sporządź wykaz wartości parametrów procesu w wybranych punktach kontroli – Tabela 5.
Nieprzereagowane składniki spręża się do 4 MPa, rektyfikacja przebiega pod 0,6÷1 MPa, a czystość rektyfikowanego metanolu wynosi 99,95 %.
Wpisanie 7 MPa w wierszu gazu powrotnego - gaz powrotny spręża się do 4 MPa.
Kroki 19-20 · po tym etapie masz 44 z 44 kryteriów (pkt)
Na podstawie zamieszczonego wyciągu z karty charakterystyki substancji niebezpiecznej dobierz środki ochrony indywidualnej niezbędne do zastosowania przy kontakcie pracowników z metanolem – Tabela 6.
Z sekcji 8.2.2 karty metanolu: oczy - gogle ochronne lub szczelne okulary ochronne, ręce - rękawice ochronne odporne na działanie chemikaliów, wykonane z gumy nitrylowej.
Na podstawie zamieszczonego wyciągu z karty charakterystyki substancji niebezpiecznej dobierz środki ochrony indywidualnej niezbędne do zastosowania przy kontakcie pracowników z metanolem – Tabela 6.
Ciało: odzież ochronna w wykonaniu antystatycznym (metanol jest wysoce łatwopalny). Drogi oddechowe: aparat oddechowy zaopatrzony w odpowiedni filtropochłaniacz AX - typ AX chroni przed parami związków organicznych o niskiej temperaturze wrzenia (wiedza ogólna o oznaczeniach filtrów).
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.