この演習のねらい
演習8のCSTRからは、生成した酢酸エチルと水に加え、未反応の酢酸とエタノールが混じった4成分の液が出てきます。実プラントでは、この出口液をそのまま次の分離工程（多くは蒸留塔）に送ります。この演習では、演習8のCSTR出口組成を演習7で作った共沸系精留塔（水-エタノール系）のフィードとして流用し、「反応→分離」という一連の流れをCOCOの中でつなげてみます。ただし、単純につなぐだけでは狙った分離ができないという壁にぶつかるはずです。その理由を数値で確かめることが、この演習の核心です。
出発点：CSTR出口はどんな液か
演習8-1の基準ケース（フィード10 mol/s、転化率59.05%）の出口組成を振り返ってみましょう。ここに、4成分それぞれの1 atmでの沸点も並べて確認します。
| 成分 | 出口流量 [mol/s] | モル分率 | 沸点（1 atm） |
|---|---|---|---|
| 酢酸 | 約 1.638 | 約 16.4% | 118.1°C |
| エタノール | 約 2.638 | 約 26.4% | 78.4°C |
| 酢酸エチル | 約 2.362 | 約 23.6% | 77.1°C |
| 水 | 約 3.362 | 約 33.6% | 100.0°C |
スケールをそろえる
演習8のCSTRはフィード10 mol/sで計算しましたが、演習7の共沸系精留塔はフィード1000 mol/s（塔底流量スペック0.5 kmol/s）で設計されています。蒸留塔のような定常分離操作は流量に対してほぼ線形にスケールしますが、CSTRのような反応器は「反応器体積」と「絶対濃度」に転化率が依存するため、装置をまたぐときは単純に数値をそのままコピーできません。ここでは、CSTR出口のモル分率はそのままに、流量だけを100倍して演習7の塔のスケールに合わせます。
| 成分 | モル分率（不変） | スケール後の流量 [mol/s]（×100） |
|---|---|---|
| 酢酸 | 16.4% | 163.8 |
| エタノール | 26.4% | 263.8 |
| 酢酸エチル | 23.6% | 236.2 |
| 水 | 33.6% | 336.2 |
合計はおよそ1000 mol/sとなり、演習7の塔のフィード規模とそろいます。
操作手順
Step 1: 演習7のflowsheetを複製する
- 演習7（COCO_azeotrope.html）で作成したCOCOファイルを別名で保存し、この演習用のコピーとして開く（塔の段数・還流比などの設定を土台として流用するため）。
Step 2: 物性パッケージ（TEA）に化合物を追加する
- Settings（Flowsheet configuration）を開き、Property packsで使っている物性パッケージを編集する。
- CompoundsにAcetic acidとEthyl acetateを追加し、Water・Ethanolと合わせて4成分にする。
Step 3: フィードストリームを差し替える
- 塔のフィードストリームをダブルクリックして開く。
- Total Flow = 1000 mol/s、圧力は演習7と同じ101325 Paのまま。
- Composition（mole fraction）を、上の「スケールをそろえる」表の値（Acetic acid 0.164、Ethanol 0.264、Ethyl acetate 0.236、Water 0.336）に置き換える。
- 温度は空欄（Bubble point任せ）にするか、演習7にならって既定値のままにしておく。
Step 4: 塔の設定を確認・調整する
- 段数・フィード段・還流比など、演習7で使ったColumn(ChemSep)の設定はいったんそのまま残しておく（12段、フィード段9、還流比3）。
- ただし塔底流量スペック「0.5 kmol/s」は、演習7の全流量1000 mol/sに対する割合（50%）で決めていた値です。今回もフィード全体は1000 mol/sなので数値自体は流用できますが、今回は4成分系のため「塔底に何を、何%残すか」という意味が演習7とは変わっている点に注意してください。まずはこの値のまま計算し、結果を見てから塔底スペックの意味を考え直すのも良い進め方です。
Step 5: 計算を実行する
- ツールバーの▶（Solve）をクリックする。
- 収束しない場合は、Step 2のUNIFAC VLEへの切り替えができているか、フィード組成の合計が1.0になっているかを確認する。
演習8-3-1：予想してから確かめる
計算結果を、下の表に書き込んでみましょう。
| 成分 | フィード（モル分率） | 塔頂 D（モル分率） | 塔底 W（モル分率） |
|---|---|---|---|
| 酢酸 | 0.164 | 記入欄 | 記入欄 |
| エタノール | 0.264 | 記入欄 | 記入欄 |
| 酢酸エチル | 0.236 | 記入欄 | 記入欄 |
| 水 | 0.336 | 記入欄 | 記入欄 |
| Stream | F | D | W | Unit |
|---|---|---|---|---|
| Pressure | 101325 | 101325 | 101325 | Pa |
| Temperature | 82.5409 | 71.271 | 92.7939 | °C |
| Flow rate | 1000 | 500 | 500 | mol/s |
| Mass frac Ethanol | 0.248934 | 0.29417 | 0.170024 | — |
| Mass frac Water | 0.123896 | 0.0385888 | 0.272709 | — |
| Mass frac Acetic acid | 0.20158 | 4.45234e-07 | 0.553222 | — |
| Mass frac Ethyl acetate | 0.425589 | 0.667241 | 0.00404542 | — |
ChemSepの画面はデフォルトで質量分率（Mass frac）表示のため、フィードの質量分率が「スケールをそろえる」表のモル分率と一見異なる数値に見えますが、分子量換算で一致しています（例：F の Mass frac Ethyl acetate 0.4256 は、モル分率0.236に対応）。
同じ結果をモル分率に換算すると、下のようになります。
| 成分 | フィード（モル分率） | 塔頂 D（モル分率） | 塔底 W（モル分率） |
|---|---|---|---|
| 酢酸 | 0.164 | ≈ 0（4×10⁻⁷程度） | 約 0.328 |
| エタノール | 0.264 | 約 0.397 | 約 0.131 |
| 酢酸エチル | 0.236 | 約 0.470 | 約 0.002 |
| 水 | 0.336 | 約 0.133 | 約 0.539 |
図 演習8-3のCOCOでの実行結果（12段の塔、フィード段9、還流比3、塔底流量スペック500 mol/s）
考察：なぜきれいに分かれないのか
実際に計算すると、塔頂（D）には酢酸がほぼ検出されない（モル分率で4×10⁻⁷程度）一方、塔頂の主成分はエタノールではなく酢酸エチル（約47.0 mol%）になりました。エタノールは約39.7 mol%、水も約13.3 mol%まで一緒に留出しており、「エタノールだけが濃縮される」という演習7のときのようなきれいな結果にはなっていません。塔底（W）には酢酸（約32.8 mol%）と水（約53.9 mol%）が主体で残り、酢酸エチルはほぼゼロ（約0.2 mol%）まで下がっています。
つまりこの塔は、「酢酸を塔底に締め出す」という意味では機能していますが（酢酸エチル・水・エタノールを塔頂側に押し出せている）、塔頂内部で酢酸エチルとエタノールをさらに分けることには全く成功していません。これは、エタノールと酢酸エチルの沸点差(1.3°C程度)が非常に小さく、両者の相対揮発度が1に近いためです。相対揮発度が1に近い成分どうしは、段数をいくら増やしても、還流比をいくら上げても、単純な蒸留だけでは実用的な純度まで分離するのが難しくなります（演習7で学んだ「共沸点では分離できない」のと似た、しかし少し違うタイプの限界です）。
実際の工業プロセスでは、このような沸点の近い成分の分離に、共沸剤や抽出剤を加えて相対揮発度を人為的に大きくする抽出蒸留や、水を選択的に吸着させるモレキュラーシーブ（吸着分離）といった、単純蒸留以外の技術が使われます。「反応でできた混合物を、蒸留だけで全部きれいに分けられるとは限らない」という感覚を持てたら、この演習は成功です。
発展課題：分離の順序を設計する（思考課題）
この4成分系を、実際のプラントとして分離するとしたら、どのような順序で装置を組み合わせるべきでしょうか。COCOでの計算は必須ではありませんが、次の点をヒントに、自分なりの分離フローを図に描いてみましょう。
- 酢酸(118.1°C)は他の3成分と沸点差が大きいため、比較的単純な蒸留で先に分離できそうか？
- エタノールと酢酸エチルは、単純蒸留のままではどこまで分離できて、どこから先が難しくなるか？
- 水-エタノールの共沸点を避けて水を分離するには、演習7で学んだ以外にどんな方法が考えられるか（調べ学習でもよい）？