国际化学奥林匹克 · 2002年

题目

第 4 题甲醇的生产。甲醇（ $\ce{CH3OH}$ ）用于汽油添加剂和多种塑料。工厂基于反应 $\ce{CO + 2H2 -> CH3OH}$ ； $\ce{H2}$ 和 CO 由重整反应 $\ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}$ 获得。工厂有三个单元：重整器、甲醇反应器和将甲醇与 CO、 $\ce{H2}$ 分离的分离器。各位置：α = 重整器进料（ $\ce{CH4}$ 、 $\ce{H2O}$ ）；β = 进入甲醇反应器的气体（CO、 $\ce{H2}$ ）；γ = 反应器出口分离前的物流（CO、 $\ce{H2}$ 、 $\ce{CH3OH}$ ）；δ = 分离后剩余的 CO 和 $\ce{H2}$ 。γ 处甲醇流量 $n(\ce{CH3OH}, \gamma) = 1000$ mol s $^{-1}$ ，设计使 2/3 的 CO 转化为甲醇；重整反应完全进行。(4.1) 计算 β 处 CO 和 $\ce{H2}$ 的流量。(4.2) 计算 γ 处 CO 和 $\ce{H2}$ 的流量。(4.3) 计算 α 处所需 $\ce{CH4}$ 和 $\ce{H2O}$ 的流量。(4.4) γ 处各物种均为气体；总压 $p = 10$ MPa，用 $p_i = p\, n_i/n_{\mathrm{tot}}$ 计算 CO、 $\ce{H2}$ 、 $\ce{CH3OH}$ 的分压。(4.5) 反应器足够大时反应达到平衡，满足 $K_p = \dfrac{p(\ce{CH3OH})\,p^0}{p(\ce{CO})\,p(\ce{H2})^2}$ （ $p^0 = 0.1$ MPa）。计算 $K_p$ （由 $\log K_p$ – $T$ 图读出对应温度约为 630 K）。解答: 1