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4. 合成条件のケーススタディ
4.1 ケーススタディの手順
合成条件に関する case study を以下の手順に沿って行いました。
- エタノール合成反応器に供給する原料ガスの組成と流量を決める。
- エタノール合成反応器における反応式を決定する。ここではエタノール合成反応（2CO + 4H2 ⇄ C2H5OH + H2O）とシフト反応（CO + H2O ⇄ CO2 + H2）が、エタノール合成触媒上で、同時並行的に進行するとした。
- case study の温度範囲と圧力範囲を設定する。
- エタノール合成反応器における物質収支を計算し、エタノール生産量を算出する。
ただし、便宜上、反応は平衡まで到達するとし、その際の原料の流量を以下のようにしました。ここで水素と二酸化炭素の量は ”2CO2 + 6H2 ⇄ C2H5OH + 3H2O” を考慮して決め、また、二酸化炭素中の窒素分（0.5%）も考慮します。
- 水素 6000kmol/hr
- 二酸化炭素 2000kmol/hr
- 窒素 10kmol/hr
4.2 圧力と温度のケーススタディ
先ほどの原料を使用し、温度範囲を 100～300℃、圧力 1～10MPaとした時の物質収支計算を行い、その結果（生産量）の一例を表と図に示しました。
以下に、温度200℃に固定にして圧力変えた時のエタノール生産量と、圧力3MPaに固定して温度を変えたときのエタノール生産量を示した。
| 圧力 | 生産量 | 温度 | 生産量 |
|---|---|---|---|
| 1MPa | 361 ton/day | 180℃ | 727ton/day |
| 2MPa | 533 ton/day | 200℃ | 624 ton/day |
| 3MPa | 624 ton/day | 220℃ | 513 ton/day |
| 4MPa | 682 ton/day | 240℃ | 394 ton/day |
| 5MPa | 723 ton/day | **** | **** |
温度を固定した場合の圧力によるエタノール生産量への影響は低圧ほど大きく、この図を見る限り生産量は圧力の対数に比例している。
圧力を固定した場合の温度によるエタノールの生産量への影響はほぼ直線関係にあり、温度に反比例しているように見える。
4.3 ケーススタディ結果の考察
ケーススタディの結果についての判断材料は、原料中の水素量あるいは二酸化炭素量から計算できる理論エタノール生産量との比較です。
つまり、原料中の水素あるいは二酸化炭素が100%エタノールに変換されたとしてエタノール生産量を計算します。
水素からのエタノール生産量は、水素6molからエタノール1が生成されますので、計算式は次のようになります。
- = 6000kmol/hr×46.069（エタノール分子量）×24hrs/日÷6 =1105.7ton/day
また、水素とのモル比（CO2 : H2 = 1 : 3）と同じ比率で原料中の二酸化炭素と水素の比率を決めていますので、二酸化炭素から求めたエタノール生産量は水素量から求めたエタノール生産量と同じになるはずですので、理論生産量を1105.7ton/dayと設定しました。
よって、先ほどの表に示しましたエタノール生産量は理論生産量に対して以下の比率になっています。
- 温度固定で圧力変更した場合：32.6%～65.4%
- 圧力固定で温度変更した場合：14.5%～59.0%
つまり、最大でも理論生産量の60%強しかなりませんでした。
次に原料中の水素と二酸化炭素の利用率を考察してみます。この利用率とは”原料中の水素量もしくは二酸化炭素量の何%がエタノールに変換された”という定義で、理論的には水素の場合で50%、二酸化炭素では100%になっています。
例えば、圧力3MPa、温度200℃でのそれぞれの利用率を計算してみますと、エタノール生産量が624ton/dayですから、
- 水素利用率＝624*1000/(46.069*24)*3/6000 = 28.2%
- 二酸化炭素利用率（炭素利用率）＝624*1000/(46.069*24)*2/2000 = 56.4%
となりました。ここで二酸化炭素の利用率は、エタノール生産量の理論生産量に対する比率と同じですが、水素の場合にはその半分となっています。つまり、せっかく生成した水素の半分しかエタノール生産に寄与していません。
この理由は、この理由は水素が二酸化炭素の酸素と反応して水に戻ってしまうからです。
そこで考えられるのは、CO2の代わりにCOを使うことで、その場合には（2CO + 4H2 ⇄ C2H5OH + H2O）から水素の利用率は理論的には75%に改善されるでしょう。ただし、COはそのままでは自然界に存在しませんから、現状ではCOを生成するのに化石燃料を使わざるを得ませんので、最初からCOを原料としたエタノール合成プロセスは現実的ではないということになります。