Kumen (prop-2-ylobenzen) otrzymuje się przez alkilowanie benzenu propylenem w fazie ciekłej wobec chlorku glinu. Instalacja daje 5,2 t kumenu o czystości 99,9% na godzinę przy wydajności 95%. Trzeba wypełnić kartę technologiczną, opisać schemat ideowy i schemat instalacji, policzyć godzinowe zapotrzebowanie na benzen i propylen, wpisać parametry z miejscami kontroli i dobrać po jednym środku ochrony indywidualnej dla pracy z benzenem i z propylenem.
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: przy schematach klucz przyjmuje niekiedy kilka nazw tej samej operacji, a obliczenia można prowadzić proporcją albo przez liczbę kilomoli - liczy się wynik zaokrąglony do liczb całkowitych.
Jak liczą się punkty. Klucz ma 45 kryteriów w 6 rezultatach, każde za 1 punkt. Próg zdania części praktycznej to 75%, czyli 34 punktów - można stracić 11 kryteriów i nadal zdać. Najwięcej punktów (po 8) dają tabela 4 z obliczeniami, tabela 5 z parametrami i tabela 6 ze środkami ochrony.
Kroki 1-7 · po tym etapie masz 10 z 45 kryteriów (pkt)
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania kumenu – Tabela 1.
Nazwę biorę z tytułu opisu w arkuszu: Produkcja kumenu w fazie ciekłej (klucz przyjmuje też „alkilowanie benzenu propylenem”). Faza ciekła odróżnia tę metodę od alkilowania w fazie gazowej na katalizatorach stałych.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania kumenu – Tabela 1.
Równanie przepisuję z „Chemizmu procesu”: C₆H₆ + C₃H₆ → C₆H₅(C₃H₇). Reakcja jest addycją - jedna cząsteczka benzenu przyłącza jedną cząsteczkę propylenu, dlatego współczynniki są jedynkami. Ciepło reakcji (ΔH = -113 kJ) nie jest częścią równania wymaganego w karcie.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania kumenu – Tabela 1.
Surowcami są Benzen i Propylen. Chlorek glinu to katalizator (ma osobny wiersz), a azot służy tylko do wtłaczania katalizatora - nie są surowcami procesu.
Wpisanie chlorku glinu albo azotu jako surowca - kryterium wymaga obu surowców i tylko ich.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania kumenu – Tabela 1.
Wiersz wymaga nazwy i wzoru: chlorek glinu, AlCl₃. Samo jedno z nich nie wystarcza.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania kumenu – Tabela 1.
Benzen może zawierać najwyżej 0,003% wody, bo woda rozkłada AlCl₃ z wydzieleniem chlorowodoru. Osusza się go metodą destylacja azeotropowa - mieszanina azeotropowa benzenu z wodą po skropleniu rozdziela się na warstwy.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania kumenu – Tabela 1.
Czystość chlorku glinu podana w opisie to 98 – 99 % (zakres, wpisuję oba końce). Masa kumenu z wykazu danych: 5,2 t na godzinę - jednostka w wierszu to tony, więc nie przeliczam na kilogramy.
Wypełnij kartę technologiczną procesu otrzymywania kumenu – Tabela 1.
Wydajność procesu: 95 %. Produkt główny: kumen (prop-2-ylobenzen) - polialkilobenzeny i smółki to produkty uboczne. Czystość kumenu po rektyfikacji: 99,9 %.
Kroki 8-10 · po tym etapie masz 15 z 45 kryteriów (pkt)
Uzupełnij opis schematu ideowego procesu – Tabela 2.
Na górze schematu wchodzą trzy strumienie: A, propylen i katalizator - brakującym surowcem jest benzen. Blok B, do którego trafiają surowce, katalizator i zawracane strumienie (benzen z separacji, PAB z rektyfikacji), to reaktor: alkilowanie.
Uzupełnij opis schematu ideowego procesu – Tabela 2.
Po odstojniku alkilat jest chłodzony w chłodnicy, a dopiero do ochłodzonego alkilatu wprowadza się wodę rozkładającą resztę katalizatora - ten rozkład i oddzielenie roztworu Al(OH)₃ pokazuje na schemacie blok „Oddzielanie”. Blok C z dopływem wody opisuję więc jako chłodzenie (klucz przyjmuje też „skraplanie” i „oddzielanie”).
Uzupełnij opis schematu ideowego procesu – Tabela 2.
Do bloku D dochodzi NaOH - zakwaszony alkilat zobojętnia się 15-procentowym roztworem zasady sodowej. Blok E z dopływem wody to wieża myjąca: wymywanie. Woda z wieży wraca do oddzielacza (strzałka w górę po prawej stronie schematu).
Kroki 11-12 · po tym etapie masz 21 z 45 kryteriów (pkt)
Wpisz informacje dotyczące schematu instalacji – Tabela 3.
W tabeli część wierszy ma nazwę, część oznaczenie - uzupełniam brakujące pole. 2a to aparat z wężownicą i wodą chłodzącą nad separatorem: chłodnica (ta „wyłożona karitem”). Wieża myjąca to wysoka kolumna z dopływem wody u góry: 6. Reaktor z płaszczem i wężownicą, do którego wchodzą benzen, propylen i AlCl₃: 1.
Wpisz informacje dotyczące schematu instalacji – Tabela 3.
Nad reaktorem, za chłodnicą 2a, stoi separator (3) - stąd skroplony benzen wraca do reaktora. Za chłodnicą 2b alkilat trafia do oddzielacz (5a), w którym woda rozkłada resztę katalizatora. Zbiornik obok reaktora, do którego spływa alkilat i z którego katalizator wraca grawitacyjnie na dół reaktora, to odstojnik (4). Odczytanie aparatów z rysunku łączy opis procesu z wiedzą ogólną o symbolach aparatów.
Zamiana separatora (3) z odstojnikiem (4) - oba są zbiornikami, rozstrzyga położenie w schemacie i opis przepływu.
Kroki 13-20 · po tym etapie masz 29 z 45 kryteriów (pkt)
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
W 5,2 t produktu o czystości 99,9% czystego kumenu jest 5,2 · 0,999 = 5,1948 t = 5194,8 kg, po zaokrągleniu 5195 kg. Od tej masy liczę zapotrzebowanie na surowce.
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
Z równania 1 kmol benzenu (78 kg) daje 1 kmol kumenu (120 kg). Proporcja: 5195 · 78 / 120 = 3376,75 → 3377 kg.
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
Przy wydajności 95% trzeba wprowadzić więcej benzenu: 3377 / 0,95 = 3554,74 → 3555 kg.
Mnożenie przez 0,95 zamiast dzielenia - surowca wyszłoby mniej niż stechiometrycznie.
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
Gęstość 0,880 g/cm³ to 880 kg/m³. V = m / d = 3555 / 880 = 4,04 m³, a arkusz każe podać wynik z dokładnością do liczb całkowitych: 4 m³.
Podstawienie 0,880 bez przeliczenia jednostek - wynik wychodzi w niewłaściwych jednostkach (4040).
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
1 kmol propylenu (42 kg) na 1 kmol kumenu (120 kg): 5195 · 42 / 120 = 1818,25 → 1818 kg.
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
Propylen ma czystość 99,0%, więc masa surowca technicznego jest większa: 1818 / 0,99 = 1836,36 → 1836 kg.
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
Uwzględniam jeszcze wydajność: 1836 / 0,95 = 1932,63 → 1933 kg.
Wykonaj obliczenia godzinowego zapotrzebowania na benzen i propylen – Tabela 4.
Propylen jest gazem, więc objętość liczę z objętości molowej: 1 kmol zajmuje 22,4 m³ (22,4 dm³/mol). Liczba kilomoli: 1933 / 42 = 46,02 kmol, objętość: 1933 / 42 · 22,4 = 1030,93 → 1031 m³.
Zaokrąglenie liczby kilomoli przed mnożeniem (46 · 22,4 = 1030,4 → 1030) - klucz oczekuje 1031.
Kroki 21-22 · po tym etapie masz 37 z 45 kryteriów (pkt)
Uzupełnij wykaz wartości parametrów procesu z podaniem miejsca kontroli – Tabela 5.
Jakość surowców sprawdza się „w zbiornikach manipulacyjnych zasilających instalację” - to miejsce kontroli obu wierszy. Wartości: zawartość wody w benzenie ≤ 0,003 % (benzen „nie może zawierać więcej”, więc to wartość graniczna) i czystość propylenu 99,0 %.
Wpisanie 0,003 bez znaku „≤” - to dopuszczalne maksimum, a nie wartość, którą trzeba utrzymać.
Uzupełnij wykaz wartości parametrów procesu z podaniem miejsca kontroli – Tabela 5.
Alkilowanie prowadzi się w reaktorze - miejsce kontroli: reaktor. Temperatura 110 – 120 °C, ciśnienie 0,5 MPa.
Kroki 23-24 · po tym etapie masz 45 z 45 kryteriów (pkt)
Na podstawie zamieszczonych wyciągów z kart charakterystyk substancji niebezpiecznych dokonaj doboru środków ochrony indywidualnej pracowników mających kontakt z benzenem i propylenem – Tabela 6.
Kolumna dotyczy pracy z benzenem przy odpowiedniej wentylacji, a tabela wymaga jednego środka z pełnym opisem. Oczy: okulary ochronne w szczelnej obudowie (gogle). Ręce: rękawice nieprzepuszczalne odporne na oleje - wybieram jeden materiał z karty, kauczuk butylowy z grubością i odpornością na przebicie. Skóra i ciało: fartuch lub ubranie z tkanin powlekanych. Drogi oddechowe: przy dostatecznej wentylacji środki nie są wymagane - respirator z filtrem A dotyczy niedostatecznej wentylacji.
Wpisanie respiratora z filtrem A albo kilku materiałów rękawic naraz - kryterium jest niespełnione przy dobraniu więcej niż jednego środka.
Na podstawie zamieszczonych wyciągów z kart charakterystyk substancji niebezpiecznych dokonaj doboru środków ochrony indywidualnej pracowników mających kontakt z benzenem i propylenem – Tabela 6.
Z karty propylenu: okulary ochronne w szczelnej obudowie, rękawice ochronne powlekane o grubości >0,1 mm, ubranie ochronne powlekane w wersji antyelektrostatycznej i - przy niewielkim przekroczeniu dopuszczalnych stężeń - maska przeciwgazowa z pochłaniaczem typu AX. Aparat z niezależnym dopływem powietrza karta przewiduje dopiero przy wyższych stężeniach.
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.