演習問題解答用Excelプログラムの使い方（pdf）

化学プロセス計算

演習問題解答用

Excel プログラムの使い方

ここに収録の Excel のプログラムは、拙著「化学プロセス計算」の演習問題の解答のた めに筆者が作成したものです。解答に際しては巻末に収録の71 物質のみを使用することを 想定しています。 ① 計算に必要な諸物性は、入力ミスを防ぐため，次頁別表記載の物質コードナンバーを 入力することにより自動的に検索され，プログラムに引用されるようになっています。 ただし、コードナンバーに 72 以上の数値を入力するとその物質の物性定数は，0 と出 力されます。 ② 赤字で記載した欄に解答に必要な諸条件を入力することにより計算結果が示される ようになっています。 ③ 一部のプログラムの計算には，単純繰り返し法あるいは Newton による逐次計算が含ま れております。十分な収束値が得られない場合は，最終収束値を改めて初期値として入 力してください。

プログラムリスト

1.

高圧気体の

PVT

2.

純蒸気の蒸気圧

3.

2 成分系の気液平衡

4.

湿度の計算

5.

燃焼反応の物質収支

6.

反応熱

7.

反応器の物質収支および熱収支

8.

理論燃焼温度

9.

平衡定数と平衡転化率

10. 臨界定数データ

11. 熱化学物性データ

物質コード表

コード 物質 化学式 コード 物質 化学式 1 空気 Air 37 ﾄﾙｴﾝ C7H8 2 ｱﾙｺﾞﾝ AR 38 o-ｷｼﾚﾝ o-C8H10 3 塩素 CL2 39 m-ｷｼﾚﾝ m-C8H10 4 塩化水素 HCL 40 p-ｷｼﾚﾝ p-C8H10 5 水素 H2 41 ｽﾁﾚﾝ C8H8 6 水 H2O 42 ｴﾁﾙﾍﾞﾝｾﾞﾝ C8H10 7 硫化水素 H2S 43 ｸﾒﾝ C9H12 8 ｱﾝﾓﾆｱ NH3 44 ﾌｪﾉｰﾙ C6H5OH 9 窒素 N2 45 ﾅﾌﾀﾚﾝ C10H8 10 一酸化窒素 NO 46 ｼｸﾛﾍﾟﾝﾀﾝ C5H10 11 二酸化窒素 NO2 47 ｼｸﾛﾍｷｻﾝ C6H12 12 酸素 O2 48 ﾒﾀﾉ-ﾙ CH3OH 13 二酸化硫黄 SO2 49 ｴﾀﾉ-ﾙ C2H5OH 14 ｵｿﾞﾝ O3 50 1-ﾌﾟﾛﾊﾟﾉｰﾙ C3H7OH 15 三酸化硫黄 SO3 51 2-ﾌﾟﾛﾊﾟﾉｰﾙ C2H4OHCH3 16 一酸化炭素 CO 52 1-ﾌﾞﾀﾉｰﾙ C4H9OH 17 二酸化炭素 CO2 53 ｴﾁﾚﾝｸﾞﾘｺｰﾙ C2H6O2 18 ｼｱﾝ化水素 HCN 54 ｸﾞﾘｾﾘﾝ C3H8O3 19 四塩化炭素 CCL4 55 ﾎﾙﾑｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ CH2O 20 硝酸 HNO3 56 ｱｾﾄｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ CH3CHO 21 硫酸 H2SO4 57 ﾍﾞﾝｽﾞｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ C6H5CHO 22 ﾒﾀﾝ CH4 58 ｱｾﾄﾝ C3H6O 23 ｴﾀﾝ C2H6 59 ﾒﾁﾙｴﾁﾙｹﾄﾝ C4H8O 24 ﾌﾟﾛﾊﾟﾝ C3H8 60 3-ﾍﾟﾝﾀﾉﾝ C5H10O 25 ﾌﾞﾀﾝ C4H10 61 MIBK C6H12O 26 ﾍﾟﾝﾀﾝ C5H12 62 ｷﾞ酸 CH2O2 27 ﾍｷｻﾝ C6H14 63 酢酸 CH3CO2H 28 ﾍﾌﾟﾀﾝ C7H16 64 ﾌﾟﾛﾋﾟｵﾝ酸 C2H5CO2H 29 ｵｸﾀﾝ C8H18 65 安息香酸 C6H5CO2H 30 ﾉﾅﾝ C9H20 66 無水酢酸 C4H6O3 31 ﾃﾞｶﾝ C10H22 67 無水ﾌﾀﾙ酸 C8H4O3 32 ｴﾁﾚﾝ C2H4 68 ｴﾁﾚﾝｵｷｼﾄﾞ C2H4O 33 ﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ C3H6 69 ｼﾞﾒﾁﾙｴｰﾃﾙ CH3OCH3 34 ｱｾﾁﾚﾝ C2H2 70 ｼﾞｴﾁﾙｴ-ﾃﾙ C2H5OC2H5 35 1-3 ﾌﾞﾀｼﾞｴﾝ C4H6 71 酢酸ｴﾁﾙ C4H8O2 36

ﾍﾞﾝｾﾞﾝ

C6H6 72

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******

1. 高圧気体の PVT

A. 原理

５成分までの高圧混合気体の

PVT を対応状態原理により計算するプログラム

です。球形分子および参照分子について

Lee-Kesler の状態方程式の解を求め、

混合気体の圧縮係数を計算します。

B. 準備

① 混合気体の各成分のコード番号および組成を入力する。

Kay の方法で求め

た混合物の臨界定数が表示される。

② 温度および圧力を入力する。混合物の対臨界圧力および対臨界圧力が自動

的に計算される。

C. 使い方

理想気体近似による分子容が表示され、これを初期値として球型分子の分子

容を単純繰り返し法で逐次近似計算します。次いでこの収束値を初期値に使っ

て参照分子について同様の計算を行います。

球形分子の圧縮係数

Z

0

_{および参照分子の圧縮係数}

Z

R

_{の収束値が示され，次式に}

よる混合気体の圧縮係数

Z と：

Z=Z

0

+(Z

R

-Z

0

_)(ω/ω

R

_{), (ω}

R

_=0.3978)

分子容の計算結果

v=ZRT/P [m

3

_/mol]

が表示される。

2. 純物質の蒸気圧

A. 原理

Antoine 式：

log

P A

B

T C

= −

+

により純物質の蒸気圧を推算する。

B． 準備

蒸気圧を推算する物質のコードを入力する。当該物質の

Anotine 定数および

その適用範囲が表示される。

C. 使い方

温度を入力すると蒸気圧

[kPa]が計算される。

３．

2 成分系の気液平衡

A. 原理

Antoine 式で純物質の蒸気圧を、Wilson 式で活量係数を求め、全圧一定の条

件における

2 成分系の気液平衡を推算する。

B. 準備

①

プログラム中の表に掲載した系のコード番号を入力する。その系の Wilson

パラメターが表示される。

② 低沸点成分および高沸点成分の物質のコード番号を入力する。各成分の

Antoine 定数、分子容データが自動的に検索される。

③ 全圧

[kPa]を入力する。

C. 使い方

各液組成に対応する沸点温度を

Newton 法により逐次近似する。赤字で示し

た欄に温度の初期値を入力する。沸点の推算値（第１近似）が青色の欄に示さ

れる。両者が一致しないときは、第１近似の値を赤字の欄に入力すると、第

2

次近似が青字の欄に出力される。以下同様の計算を温度の収束値が得られるま

で逐次計算を繰り返す。通常は数回の繰り返しで収束値が得られる。

液組成を変えて同様の計算を行う。

４．湿度計算

A. 原理

水蒸気分圧は修正

Antoine 式による。

1668.21

log

p

10.09170

T C

=

+

+

303:

42.12

T

>

C

= −

303:

42.12 0.01

T

≤

C

= −

−

T

水の蒸発潜熱は次式による：

3

2.5016 2.37 10 (

273.15) [MJ/kg]

w

T

λ

₌

₋

_×

−

₋

C 使い方

C-1 絶対湿度の計算

全圧、乾球温度、湿球温度の数値を所定の欄に入力する。絶対湿度、水

蒸気分圧、関係湿度，露点、室内暑さ指数の計算結果が表示される。

C-2 湿球温度および室内暑さ指数の計算。

乾球温度および関係湿度を入力する。水蒸気分圧、絶対湿度が表示され

る。

続いて湿球温度の計算を

Newton 法で行う。まず、赤字で示した欄に湿

球温度の初期値を入力すると再右端に青色で第一次近似が示される。つぃ

で第二回試算、第三回試算、第四回試算まで自動的に示される。その収束

値から湿球温度および室内暑さ指数が表示される。

５．燃焼反応の物質収支

A 原理

C, H, O, N, S より構成される化合物の混合物の燃焼ガス組成および煙道ガス組

成を計算する。

B. 準備

混合物を構成する各成分の物質コードおよび組成を入力する。各成分を構成す

る元素のモル数を入力する。

C. 使い方

過剰空気率および炭素の燃焼効率（

0-100%）を入力すると、燃焼ガス組成およ

び煙道ガス組成が自動的に計算される。

6. 反応熱

A. 概要： 標準生成熱、蒸発潜熱および定圧分子熱から標準反応熱および与え

られた温度における反応熱を計算する。

B. 準備

①

見本にならって反応式を入力する。

②

反応温度を入力する。

③

反応に関与する各成分の物質コードを入力すると必要な熱化学物性が

自動的に検索されて表示される。

④

反応の化学量論係数を入力する。

C. 使い方

標準反応熱および与えられた温度における反応熱が表示される。他の温度に

おける反応熱を計算する場合は、

B②の段階で反応温度の数値を変えればよい。

7．反応器の物質収支および熱収支

A. 概要 二つの反応が同時に起こりinert 成分を含めて 8 成分系までの収支計算が可能。 反応の物質収支は、次式により計算する。 𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜,𝑖𝑖 = 𝑛𝑛𝑖𝑖𝑖𝑖,𝑖𝑖+ 𝑛𝑛𝑖𝑖𝑖𝑖,𝑖𝑖𝜑𝜑(𝜈𝜈𝑖𝑖/|𝜈𝜈1|) （A） （𝜑𝜑は反応の転化率、𝜈𝜈𝑖𝑖は成分i の化学量論係数。） B 準備 ① 反応式と各反応式の第 1 成分の転化率を入力する。 ② 原料供給温度[K]生成物排出温度[K]を入力する。 ③ Inert 成分を含む全ての成分の物質コードを入力する。（ただし、コードに 100 を 入力するとその成分について計算しない。） ④ 原料組成を与える。 ⑤ 反応式を参照しながらそれぞれの反応の化学量論係数を入力する。（反応に関与しな い物質の化学量論係数は零と入力する。） C 使い方 計算基準は 原料 100mol である。 物質収支の計算： 原料組成から反応器に入る各成分のモル数が計算される。式（A）により 反応器出口モル数が自動的に計算される。 エンタルピー収支の計算： 熱化学物性が自動的に検索され、エンタルピー収支の計算結果が示される。

８．

理論燃焼温度

A. 概要 元素 C,H,O で構成される燃料が標準温度(298.15 K)で供給され，

標準温度の空気で完全燃焼すると仮定して，反応熱のすべてが燃焼ガス

の加熱に用いられると仮定した場合の燃焼ガス温度を計算する。

B. 準備 ① 燃料を構成する各成分の物質コードおよび組成(モル分率)を入力する。 ② 各成分を構成 C,H,O のモル数を入力する。 ③ 過剰空気率を入力する。理論空気量および供給空気量が計算され、ついで 原料1mol 基準の物質収支が計算される。ついで燃焼ガスの熱化学物性が 自動的に検索され表示される。 C. 使い方 理論燃焼度計算のための温度の四次式の係数が表示される。温度の初期値を 入力するとNewton 法により第 3 次近似までの計算結果が自動的に表示される。 収束値が理論燃焼温度として表示される。収束状況が思わしくないときは、初 期値を変えて再計算する。

９．

平衡定数と平衡転化率

A. 概要 標準生成熱と標準生成 Gibbs エネルギーから、所定の圧力および温

度における平衡定数および平衡転化率を計算する。

B.

準備 ① 圧力を入力する。 ② 反応式を入力する。 ③ 各成分の物質コードを入力する。各成分の熱化学物性が自動的に検索され， 表示される。 C. 使い方 平衡定数の計算： ① 反応温度を入力するとその温度に対応する平衡定数が計算される。 平衡転化率の計算： ② 計算基準として第一成分のモル数を100 mol とする。第二成分のモル数を 入力する。 ③ 各反応温度において、2 行目の赤字で示した欄に転化率の初期値(0.001～ 0.9999 の数値)を入力すると Newton 法による逐次計算で第 4 近似まで示される。 収束状況が思わしくないときは、最下行の第四近似の数値を初期値に使って計算 を繰り返す