平成23年度 問29 化学プロセス
水素 30 mol%、一酸化炭素 10 mol%、メタン 40 mol%、水蒸気 20 mol% からなる混合ガスを原料として、毎時 200 kmol を反応器に供給して以下の反応を行わせる。
$$\mathrm{CO} + 3\mathrm{H_2} \rightarrow \mathrm{CH_4} + \mathrm{H_2O}$$反応器出口の一酸化炭素の反応率は 0.8 であった。この反応器出口のガスを、操作圧力 0.1 MPa で温度 60 ℃ まで冷却して、水蒸気を凝縮分離した。冷却器出口のガスの流量 \([\mathrm{kmol/h}]\) はいくらか。ただし、60 ℃ の水の蒸気圧は、0.02 MPa である。
①
114
②
140
③
168
④
180
⑤
200
正答
② 140
原料の物質量：\(\mathrm{H_2}\)：60 kmol/h、CO：20 kmol/h、\(\mathrm{CH_4}\)：80 kmol/h、\(\mathrm{H_2O}\)：40 kmol/h。CO の反応率が 0.8 なので、反応した CO は \(20\times 0.8 = 16\) kmol/h、残りは 4 kmol/h。
反応後のガス組成：
- \(\mathrm{H_2}\)：\(60 - 16\times 3 = 12\) kmol/h
- CO：\(20 - 16 = 4\) kmol/h
- \(\mathrm{CH_4}\)：\(80 + 16 = 96\) kmol/h
- \(\mathrm{H_2O}\)：\(40 + 16 = 56\) kmol/h
反応後の全ガス量は 168 kmol/h です。冷却後、水蒸気のモル分率 \(0.02/0.1 = 0.2\)、水蒸気以外 0.8。水蒸気以外のガス量 \(12 + 4 + 96 = 112\) kmol/h がモル分率 0.8 に相当します。よって全体のガス量は \(112/0.8 = 140\) kmol/h です。