この演習について
化学基礎で習う「濃度の異なる溶液を混ぜたときの濃度計算」を、COCOのMixer（混合器）ユニットで検証します。フラッシュ蒸留のように気液平衡の計算は行わないため、手計算とCOCOの結果は必ず一致します。「シミュレーターは魔法ではなく、自分たちが習った物質収支の考え方をそのまま数値計算しているだけだ」ということを実感するのに向いた、安心して取り組める演習です。
✅ この演習で確認すること
10 mol%のエタノール水溶液と60 mol%のエタノール水溶液を混ぜると、何mol%になるか。先に手計算で予測してから、COCOで検証する。
手計算で先に予測してみよう
2つの流れを混ぜたときの濃度は、流量を重みとした加重平均（物質収支）で求められます。
📐 混合後の濃度の求め方
この演習では、流量A = 50 mol/s（エタノール10 mol%）、流量B = 20 mol/s（エタノール60 mol%）とする。まずは自分で計算して、答えを紙に書いてからCOCOに進もう。
結果の数値（答え合わせ用）
| 項目 | フィード A | フィード B | 製品 P |
|---|---|---|---|
| 流量 [mol/s] | 50.0 | 20.0 | 70.0 |
| エタノール モル分率 | 0.10 | 0.60 | ≈ 0.243 |
| 水 モル分率 | 0.90 | 0.40 | ≈ 0.757 |
| 温度 [K] | 298.15 | 298.15 | ≈ 298.15 + 発熱分（実測値を記録） |
| 圧力 [Pa] | 101325 | 101325 | 101325 |
(50×0.10 + 20×0.60) ÷ 70 = (5 + 12) ÷ 70 ≈ 0.243。単位はmol/s・K・Paです。kmol/hや°Cに変更したい場合はCOCOの単位設定を変更するを参照してください。
💡 実は温度が少し上がる（混合熱）
水とエタノールを混ぜると、実際にはわずかに発熱します。水どうし・エタノールどうしが作っていた水素結合が混合によって組み直され、より安定な配置になるときにエネルギーが放出されるためです（これは水-エタノール系が非理想溶液である一例で、混合による体積収縮とセットでよく知られる現象です）。COCOで計算すると、製品ストリームの温度がフィードの298.15 Kよりわずかに高くなるはずです。もしThermodynamic model setをIdeal（理想溶液）にしていたら、この発熱は再現されません。理想溶液は定義上、混合熱がゼロだからです。
⚠️ 「単純混合」という表現について
物質収支（流量・組成の計算）だけを見れば加重平均で説明できますが、熱収支（温度）については単純な平均にはなりません。上記の発熱分だけ、加重平均より少し高い温度になります。
COCO(COFE)操作手順
Step 1: 新規フローシートを開く
- COFEを起動し、
File > Newで新規フローシートを作成する。
Step 2: 熱力学モデルを設定する
- COFEウィンドウ左側のSettingsボタン → Flowsheet Configuration → 「Property packs」タブ → Add → TEAを選択 → New。
- 名前を入力し、Thermodynamic model setからNRTLを選択（フラッシュ蒸留演習と同じ設定でよい）。
- AddでWaterとEthanolを追加する。
💡 実はIdealでも構わない
Mixerは気液平衡の計算をしないため、理想溶液（Ideal）を選んでも今回の結果（モル分率の加重平均）は変わりません。ただしフラッシュ蒸留演習と同じ設定を使い回した方が、生徒にとっては迷いが少ないのでNRTLのままで問題ありません。
Step 3: Mixerユニットを配置する
InsertメニューからUnit Operationを選ぶ。Select Unit Operationウィンドウが開く。- 一覧からMixerを選択する。フローシート上をクリックして配置する。
Step 4: ストリームを接続する
InsertメニューからStreamを選ぶ（またはCtrl+I）。マウスカーソルが+に変わることを確認する。- 何もない場所をクリックして始点を決め、Mixerのアイコンにカーソルを重ねてハイライトが出たところでクリックする。これでフィードAが接続される。
- 同様の操作でフィードBもMixerに接続する（Mixerは複数の入口を持てる）。
- 同様の操作でMixerの出口から製品ストリームPを接続する。
⚠️ 接続がうまくいかないとき
ハイライトが出る前にクリックすると、ただの浮いた線になり接続されません。Mixerのアイコンにゆっくり近づけてハイライトの表示を確認してからクリックしましょう。
Step 5: フィードA・Bの条件を入力する
- フィードAを右クリックしてEdit/viewを選ぶ。Temperature = 298.15 K、Pressure = 101325 Pa、Total Flow = 50.0 mol/s、Composition（mole fraction）はEthanol 0.10、Water 0.90を入力する。
- 同様にフィードBを設定する。Total Flow = 20.0 mol/s、Composition はEthanol 0.60、Water 0.40。温度・圧力はAと同じでよい。
Step 6: 計算を実行する
- ツールバーの▶（Solve/Run）をクリック、または
Flowsheet > Solve。 - 収束すると各ストリームのアイコンが緑になる。
Step 7: 結果を確認する
- 製品ストリームPをダブルクリックし、Compositionタブでエタノールが約0.243になっていることを確認する。
- 手計算の答えと一致しているか照らし合わせる。
図：COCOでの実行結果
発展課題
- フィードAとBの流量比を変えると、製品の濃度はどう変わるか予測してから試してみよう。
- フィードBの温度を298.15 Kより高く（例：323.15 K）してみると、製品の温度はどうなるか確かめてみよう（温度の異なる流れを混ぜる効果に、混合熱による発熱が上乗せされる）。
- 3本目のフィードストリームを追加して、3液の混合にも挑戦してみよう。