Chemistry Labs

問題 4

メタノールの製造。メタノール(CHX3OH\ce{CH3OH})はガソリン添加剤や多くのプラスチックに使われる。工場は CO+2 HX2→CHX3OH\ce{CO + 2H2 -> CH3OH} に基づき、HX2\ce{H2} と CO は改質反応 CHX4+HX2O→CO+3 HX2\ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2} で得る。プラントは3ユニット:リフォーマー、メタノール反応器、メタノールをCO・HX2\ce{H2}から分離する分離器。位置は α = リフォーマーへの原料(CHX4\ce{CH4}, HX2O\ce{H2O})、β = 反応器入口ガス(CO, HX2\ce{H2})、γ = 分離前の反応器出口流(CO, HX2\ce{H2}, CHX3OH\ce{CH3OH})、δ = 分離後の余剰 CO・HX2\ce{H2}。γ でのメタノール流量は n(CHX3OH,γ)=1000n(\ce{CH3OH}, \gamma) = 1000 mol s−1^{-1}、CO の 2/3 がメタノールに転換され、リフォーマー反応は完結する。(4.1) β での CO・HX2\ce{H2} の流量を求めよ。(4.2) γ での CO・HX2\ce{H2} の流量を求めよ。(4.3) α で必要な CHX4\ce{CH4}・HX2O\ce{H2O} の流量を求めよ。(4.4) γ では全成分が気体。全圧 p=10p = 10 MPa として pi=p ni/ntotp_i = p\, n_i/n_{\mathrm{tot}} により CO・HX2\ce{H2}・CHX3OH\ce{CH3OH} の分圧を求めよ。(4.5) 反応器が十分大きいと平衡に達し、Kp=p(CHX3OH) p0p(CO) p(HX2)2K_p = \dfrac{p(\ce{CH3OH})\,p^0}{p(\ce{CO})\,p(\ce{H2})^2}(p0=0.1p^0 = 0.1 MPa)が成り立つ。KpK_p を計算せよ(log⁡Kp\log K_p–TT グラフから対応する温度は約 630 K)。
ステップ 2/4: 出口流量と原料流量
n(CO,γ)=1500−1000=500;n(HX2,γ)=4500−2×1000=2500 mol s−1;n(CHX4,α)=n(HX2O,α)=1500 mol s−1n(\ce{CO},\gamma) = 1500 - 1000 = 500;\quad n(\ce{H2},\gamma) = 4500 - 2\times1000 = 2500\ \text{mol s}^{-1};\quad n(\ce{CH4},\alpha) = n(\ce{H2O},\alpha) = 1500\ \text{mol s}^{-1}
分析

γ では未反応COは転換しなかった1/3、HX2\ce{H2} はメタノールと2:1で消費される。改質が完結するので CHX4\ce{CH4} と HX2O\ce{H2O} は生成COと1:1で各1500 mol s−1^{-1} 供給される。