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第 4 题

甲醇的生产。甲醇（CHX3OH\ce{CH3OH}）用于汽油添加剂和多种塑料。工厂基于反应 CO+2 HX2→CHX3OH\ce{CO + 2H2 -> CH3OH}；HX2\ce{H2} 和 CO 由重整反应 CHX4+HX2O→CO+3 HX2\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、HX2\ce{H2} 分离的分离器。各位置：α = 重整器进料（CHX4\ce{CH4}、HX2O\ce{H2O}）；β = 进入甲醇反应器的气体（CO、HX2\ce{H2}）；γ = 反应器出口分离前的物流（CO、HX2\ce{H2}、CHX3OH\ce{CH3OH}）；δ = 分离后剩余的 CO 和 HX2\ce{H2}。γ 处甲醇流量 n(CHX3OH,γ)=1000n(\ce{CH3OH}, \gamma) = 1000 mol s−1^{-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 HX2\ce{H2} 的流量。(4.2) 计算 γ 处 CO 和 HX2\ce{H2} 的流量。(4.3) 计算 α 处所需 CHX4\ce{CH4} 和 HX2O\ce{H2O} 的流量。(4.4) γ 处各物种均为气体；总压 p=10p = 10 MPa，用 pi=p ni/ntotp_i = p\, n_i/n_{\mathrm{tot}} 计算 CO、HX2\ce{H2}、CHX3OH\ce{CH3OH} 的分压。(4.5) 反应器足够大时反应达到平衡，满足 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）。计算 KpK_p（由 log⁡Kp\log K_p–TT 图读出对应温度约为 630 K）。
第 1/4 步：反应器进料流量
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n(CO,β)=32 n(CHX3OH,γ)=1500 mol s−1;n(HX2,β)=3 n(CO,β)=4500 mol s−1n(\ce{CO},\beta) = \frac{3}{2}\,n(\ce{CH3OH},\gamma) = 1500\ \text{mol s}^{-1};\quad n(\ce{H2},\beta) = 3\,n(\ce{CO},\beta) = 4500\ \text{mol s}^{-1}
分析

由于进料 CO 的 2/3 转化为甲醇，CO 进料须为 1000/(2/3)=15001000/(2/3) = 1500 mol s−1^{-1}。重整器每摩尔 CO 产 3 mol HX2\ce{H2}，故 n(HX2,β)=4500n(\ce{H2},\beta) = 4500 mol s−1^{-1}。