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）。

第 3/4 步：γ 处各组分分压

n_{\mathrm{tot}} = 4000\ \text{mol s}^{-1};\quad p(\ce{CO}) = 1.25\ \text{MPa},\ p(\ce{H2}) = 6.25\ \text{MPa},\ p(\ce{CH3OH}) = 2.50\ \text{MPa}

分析

γ 处总流量为 $500 + 2500 + 1000 = 4000$ mol s $^{-1}$ ；摩尔分数乘以总压 10 MPa 得 $p(\ce{CO}) = 1.25$ 、 $p(\ce{H2}) = 6.25$ 、 $p(\ce{CH3OH}) = 2.50$ MPa。