Síntese de Amônia (Haber-Bosch)

Neste tutorial você construirá uma malha simplificada de síntese de amônia pelo processo Haber-Bosch na GUI Clássica do DWSIM: um trem em passe único com compressão, pré-aquecimento, reação de equilíbrio, resfriamento e separação gás-líquido.

O que você vai aprender

• Como construir um flowsheet industrial com múltiplas operações unitárias, da carga ao produto
• Como definir uma reação de equilíbrio com Keq dependente da temperatura
• Como verificar balanços atômicos (conservação de H e N)

Pré-requisitos

• Sistemas de Reação e Ciclo de Refrigeração concluídos

Visão Geral do Processo

Haber-Bosch: N2 + 3H2 → 2NH3 (exotérmica, limitada por equilíbrio). Condições industriais: 100-300 bar, 400-500 °C.

Neste modelo simplificado de passe único, comprimimos uma alimentação H2:N2 na razão 3:1 a 200 bar, aquecemos a 700 K, reagimos, resfriamos a 250 K para condensar NH3 líquida, e separamos gás de líquido.

Diagrama de Fluxo do Processo

graph LR
    F["Feed<br/>3H2 + 1N2<br/>30 bar"] --> C["C-1<br/>Compressor<br/>200 bar"]
    C --> H["H-1<br/>Heater<br/>700 K"]
    H --> R["R-1<br/>Eq. Reactor"]
    R --> CL["CL-1<br/>Cooler<br/>250 K"]
    CL --> V["V-1<br/>Separator"]
    V -->|Gas| PG["Purge Gas"]
    V -->|Liquid| NH3["Liquid NH3"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro	Valor
Compostos	Hydrogen, Nitrogen, Ammonia
Pacote Termodinâmico	Peng-Robinson
Alimentação	3 H2 + 1 N2 mol/s, 300 K, 30 bar
Saída do compressor	200 bar, eficiência de 75%
T do reator	700 K (isotérmico)
Saída do resfriador	250 K
ln(Keq)	11000/T - 25.0

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configuração

File > New Chemical Process Model:

• Compostos: Hydrogen, Nitrogen, Ammonia
• Pacote Termodinâmico: Peng-Robinson

Por que Peng-Robinson a 200 bar?

PR trata a não idealidade em alta pressão e o comportamento quase supercrítico de gases leves. Modelos de coeficiente de atividade são inadequados nessa faixa de pressão; a EOS cúbica é a ferramenta correta para sistemas em fase gasosa de alta pressão.

2. Definir a reação de equilíbrio

Edit > Simulation Settings > Reactions → Add New Reaction → tipo Equilibrium:

• Name: R_NH3
• Estequiometria: Nitrogen = -1, Hydrogen = -3, Ammonia = +2
• Base compound: Ammonia
• Phase: Vapor, Basis: Activity
• ln(Keq): 11000/T - 25.0

Crie um Reaction Set NH3Set e adicione a reação a ele.

Por que um Equilibrium Reactor?

A reação de Haber-Bosch é severamente limitada por equilíbrio nas condições industriais. Um Conversion Reactor imporia uma extensão arbitrária; o Equilibrium Reactor usa a termodinâmica (Keq vs T) para determinar o rendimento máximo de NH3 atingível.

Por que pressão alta favorece NH3?

Pelo princípio de Le Chatelier, a reação vai de 4 mol de gás para 2 mol; P alta desloca o equilíbrio para o lado com menos mols (NH3). Malhas industriais operam entre 150-300 bar apesar do custo de compressão, exatamente por essa razão.

3. Construir o trem (arrastar e soltar)

Arraste os itens abaixo da Object Palette nesta ordem, renomeando cada um:

1. Material Stream Feed (T=300 K, P=30 bar, vazão molar total=4 mol/s, frações molares: H2=0,75, N2=0,25, NH3=0)
2. Compressor C-1 (Adiabatic, P de saída=200 bar, η=75%)
3. Material Stream Comp-Out (vazia)
4. Heater H-1 (T de saída=700 K, ΔP=0, η=100%)
5. Material Stream Hot (vazia)
6. Equilibrium Reactor R-1 (modo Isothermal, Reaction Set = NH3Set, ΔP=0)
7. Material Stream Rx-Out (vazia)
8. Cooler CL-1 (T de saída=250 K, ΔP=0, η=100%)
9. Material Stream Cold (vazia)
10. Separator Vessel V-1
11. Material Stream Purge-Gas (vazia)
12. Material Stream NH3-Liquid (vazia)

Mais três correntes de energia: W_comp, Q_rx, Q_cool (criadas automaticamente pela conexão Energy de cada unidade).

4. Conectar as ligações

Abra o Object Editor de cada operação unitária e ajuste seu painel Connections:

• C-1: Inlet=Feed, Outlet=Comp-Out, Energy=W_comp
• H-1: Inlet=Comp-Out, Outlet=Hot
• R-1: Inlet=Hot, Outlet 1 (vapor)=Rx-Out, Outlet 2 (líquido)=Rx-Liq (criar vazia), Energy=Q_rx
• CL-1: Inlet=Rx-Out, Outlet=Cold, Energy=Q_cool
• V-1: Inlet=Cold, Vapor Outlet=Purge-Gas, Liquid Outlet=NH3-Liquid

5. Resolver

F6 LIGADO → Solve.

6. Inspecionar resultados

• Corrente NH3-Liquid: fração molar de amônia deve ser > 0,50 (enriquecida)
• Corrente Purge-Gas: predominantemente H2 e N2
• Correntes de energia: W_comp mostra a potência de compressão; Q_rx e Q_cool mostram remoção de calor

Verifique os balanços atômicos usando o Mass and Energy Balance Summary no menu Flowsheet Analysis.

Resultados e Validação

Variável	Esperado
Conversão de N2	5 - 99%
NH3 no produto líquido	> 50 mol%
NH3 no gás de purga	< 50 mol%
Balanço atômico de H	Dentro de 0,5%
Balanço atômico de N	Dentro de 0,5%

Resultados esperados

Produção de NH3 limitada por equilíbrio a 700 K. O resfriamento até 250 K condensa a NH3, separando-a do H2/N2 não reagido.

Entendendo os Resultados

• Le Chatelier: pressão alta (200 bar) desloca o equilíbrio para os produtos (4 mol → 2 mol)
• Compromisso de temperatura: T mais baixa favorece o equilíbrio, mas o catalisador requer ~400-500 °C
• Separação por condensação: NH3 (PE -33 °C) condensa a 250 K / 200 bar; H2 (-253 °C) e N2 (-196 °C) permanecem gasosos

Em uma planta real, o gás de purga seria reciclado de volta ao compressor (com uma pequena purga para remover inertes), elevando a conversão global a mais de 95%.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

• Script Python: examples/advanced/02_ammonia_synthesis.py
• Simulação pré-construída: examples/saved/ammonia_synthesis.dwxmz

FluentAPI (Python)MCP Server (JSON-RPC)Prompt LLM

Veja examples/advanced/02_ammonia_synthesis.py no repositório DWSIM.Tutorials.

Construa usando dwsim.reaction.define_equilibrium, dwsim.unitop.add para cada operação, dwsim.unitop.connect e dwsim.solve.run.

O resultado pode variar

O resultado depende da capacidade de raciocínio e do uso correto de ferramentas pelo LLM. Sempre verifique se a simulação corresponde à sua intenção antes de confiar nos números.

Use o DWSIM (via servidor MCP) para construir a seguinte simulação:

- Crie um flowsheet chamado "AmmoniaSynthesis"
- Adicione Hydrogen, Nitrogen e Ammonia como compostos; configure o
  pacote termodinâmico como "Peng-Robinson"
- Defina uma reação de equilíbrio "R_NH3" com estequiometria
  N2 = -1, H2 = -3, NH3 = +2; composto base = Ammonia, fase = Vapor,
  base = Activity, ln(Keq) = 11000/T - 25.0; adicione-a a um novo
  conjunto de reações "NH3Set"
- Adicione uma corrente material "Feed" a 300 K e 30 bar com vazão
  molar total = 4 mol/s e frações molares H2 = 0,75, N2 = 0,25, NH3 = 0
- Adicione um Compressor "C-1" (adiabático, P de saída = 200 bar,
  eficiência = 75%) com corrente de energia W_comp
- Adicione um Heater "H-1" com T de saída = 700 K, ΔP = 0, eficiência
  = 100%
- Adicione um Equilibrium Reactor "R-1" em modo isotérmico usando o
  conjunto de reações NH3Set, ΔP = 0, com corrente de energia Q_rx
- Adicione um Cooler "CL-1" com T de saída = 250 K, ΔP = 0, eficiência
  = 100%, corrente de energia Q_cool
- Adicione um Separator Vessel "V-1" com saída de vapor "Purge-Gas" e
  saída líquida "NH3-Liquid"
- Conecte: Feed → C-1 → H-1 → R-1 → CL-1 → V-1
- Resolva o flowsheet
- Reporte a conversão de N2, a fração molar de NH3 em NH3-Liquid e em
  Purge-Gas, e os fluxos de energia W_comp, Q_rx e Q_cool

Exercícios

1. Reduza T do reator para 500 K. Como muda a conversão?
2. Reduza a compressão para 50 bar. Qual o impacto no equilíbrio?
3. Adicione uma malha de reciclo (operação lógica Recycle) conectando Purge-Gas de volta a um Mixer na alimentação.

Leitura Complementar

Referências selecionadas da bibliografia técnica do DWSIM. Clique no link DOI para acessar cada artigo.

• Kai Hou & Ronald Hughes. (2001). The Kinetics of Methane Steam Reforming over a Ni/α-Al₂O₃ Catalyst. Chemical Engineering Journal. doi:10.1016/S1385-8947(00)00367-3
• Arthur L. Kohl & Richard B. Nielsen. (1997). Gas Purification. Gulf Publishing
• A. K. Myers & A. L. Myers. (1986). Numerical Solution of Chemical Equilibria with Simultaneous Reactions. J. Chem. Phys.
• Ding-Yu Peng & Donald B. Robinson. (1976). A New Two-Constant Equation of State. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. doi:10.1021/i160057a011

Próximos Passos

Em Separação Benzeno/Tolueno, você construirá um trem completo de destilação.