Processamento de Gás Natural¶

Neste tutorial você modelará uma unidade de controle de ponto de orvalho de gás natural na GUI Clássica do DWSIM: uma corrente gasosa multicomponente é resfriada, e os hidrocarbonetos mais pesados (GLP e condensados) são separados como líquido em um vaso de flash.

O que você vai aprender

Como modelar uma mistura multicomponente de gás natural
Como configurar o controle do ponto de orvalho com um Cooler e um Separator Vessel
Como ler a recuperação de C3+ e a composição da fase gasosa

Pré-requisitos

Envelope de Fases e Vaso de Flash Simples concluídos

Visão Geral do Processo¶

O gás natural bruto contém metano, etano, propano, butanos e hidrocarbonetos mais pesados. Especificações de gasoduto exigem ponto de orvalho de hidrocarbonetos baixo para evitar deposição de líquido. A unidade de controle de ponto de orvalho resfria o gás para condensar componentes mais pesados, que são separados e processados como GLP/LGN.

Diagrama de Fluxo do Processo¶

graph LR
    F["Wellhead Gas<br/>320 K, 70 bar<br/>C1-C5"] --> CH["CH-1<br/>Chiller<br/>240 K"]
    CH --> SEP["SEP-1<br/>Separator"]
    SEP -->|Sales Gas| G["Sales Gas"]
    SEP -->|NGL| L["NGL Liquid"]

Parâmetros de Projeto¶

Parâmetro	Valor
Compostos	Methane, Ethane, Propane, n-Butane, n-Pentane
Pacote Termodinâmico	Peng-Robinson
Alimentação	100 mol/s, 320 K, 70 bar, 80% C1, 10% C2, 5% C3, 3% nC4, 2% nC5
T de saída do chiller	240 K (-33 °C)

Passo a Passo na GUI Clássica¶

1. Configuração¶

File > New Chemical Process Model:

Compostos: Methane, Ethane, Propane, N-butane, N-pentane
Pacote Termodinâmico: Peng-Robinson

Por que Peng-Robinson para gás natural?

PR é o padrão de fato da indústria para misturas de gás natural: ELV preciso para a faixa de hidrocarbonetos C1-C5 e confiável em separações de gás até temperaturas criogênicas. SRK é uma opção semelhante; modelos de coeficiente de atividade não se aplicam nessas condições.

2. Construir o flowsheet¶

Arraste e configure:

Material Stream Wellhead-Gas: T=320 K, P=70 bar (7000000 Pa), vazão molar=100 mol/s, frações molares conforme a tabela de parâmetros
Material Stream Chilled (vazia)
Cooler CH-1: T de saída=240 K, ΔP=0, η=100%; Inlet=Wellhead-Gas, Outlet=Chilled, criar corrente de energia
Material Stream Sales-Gas (vazia)
Material Stream NGL (vazia)
Separator Vessel SEP-1: Inlet=Chilled, Vapor Outlet=Sales-Gas, Liquid Outlet=NGL

Por que 240 K (-33 °C)?

Abaixo do ponto de orvalho dos componentes mais pesados (C3+, C4+) a 70 bar, mas acima do ponto de congelamento de água ou CO2 residuais. Essa temperatura proporciona boa recuperação de NGL sem incorrer no custo mais alto de refrigeração da operação criogênica.

Flowsheet de controle de ponto de orvalho de gás natural

3. Resolver¶

F6 LIGADO → Solve.

4. Inspecionar resultados¶

Sales-Gas Results: fração molar de metano > 0,85 (enriquecida), vazão molar ~80-90 mol/s
NGL Results: enriquecida em C3+, vazão molar ~10-30 mol/s
CH-1 Results: carga térmica do chiller (número negativo grande indicando resfriamento significativo)

Você também pode usar Utilities > Phase Envelope na corrente Wellhead-Gas para visualizar onde 240 K / 70 bar se situa no envelope e confirmar a operação na região bifásica.

Resultados e Validação¶

Variável	Esperado
Fração de C1 no gás de venda	> 0,85
Fração C3+ no NGL	> 0,50
Vazão de gás de venda	70 - 90 mol/s
Vazão de NGL	10 - 30 mol/s
Recuperação de C3+ no NGL	> 80%

Resultados esperados

Gás de venda enriquecido em C1/C2; o NGL captura a maior parte de C3-C5. A recuperação de C3+ excede 80%.

Entendendo os Resultados¶

A separação por ponto de orvalho de hidrocarbonetos explora a ampla faixa de pressões de vapor entre C1-C5. A 240 K e 70 bar:

Metano (Tc = 191 K): supercrítico, gasoso
Etano (Tc = 305 K): predominantemente gasoso, parcialmente absorvido
Propano (Tc = 370 K): condensa substancialmente
n-Butano e n-Pentano (Tc > 400 K): condensam quase completamente

T mais baixa do chiller → mais recuperação de C3+, mas mais energia de refrigeração. Projetos industriais equilibram receita do NGL e custo energético.

Automatizando Este Tutorial¶

Arquivos neste repositório

Script Python: examples/advanced/04_natural_gas.py
Simulação pré-construída: examples/saved/natural_gas.dwxmz

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

Veja examples/advanced/04_natural_gas.py no repositório DWSIM.Tutorials.

dwsim.unitop.add padrão para Cooler + Separator; em seguida conectar e resolver.

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 "NaturalGasProcessing"
- Adicione Methane, Ethane, Propane, N-butane e N-pentane como
  compostos; configure o pacote termodinâmico como "Peng-Robinson"
- Adicione uma corrente material "Wellhead-Gas" a 320 K e 7000000 Pa
  (70 bar), vazão molar = 100 mol/s, frações molares: Methane = 0,80,
  Ethane = 0,10, Propane = 0,05, N-butane = 0,03, N-pentane = 0,02
- Adicione um Cooler "CH-1" com T de saída = 240 K, ΔP = 0, eficiência
  = 100%; entrada = Wellhead-Gas, saída = Chilled, com corrente de
  energia
- Adicione um Separator Vessel "SEP-1" com entrada = Chilled, saída
  de vapor = Sales-Gas, saída líquida = NGL
- Resolva o flowsheet
- Reporte a fração molar de metano e a vazão molar de Sales-Gas, a
  fração molar C3+ e a vazão molar de NGL, a recuperação de C3+ no
  NGL e a carga térmica do chiller

Exercícios

Aumente T do chiller para 270 K. Como muda a recuperação de C3+?
Reduza a pressão de alimentação para 30 bar. A separação melhora a 240 K?
Adicione 5% de CO2 e 3% de N2 à alimentação. Como eles se distribuem?

Leitura Complementar¶

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

Gas Processors Suppliers Association. (2017). GPSA Engineering Data Book. Gas Processors Suppliers Association
Arthur L. Kohl & Richard B. Nielsen. (1997). Gas Purification. Gulf Publishing
P. J. H. Carnell & L. Josefsson. (1990). Mercury Removal from Natural Gas. Petroleum Review
Ding-Yu Peng & Donald B. Robinson. (1976). A New Two-Constant Equation of State. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. doi:10.1021/i160057a011
Curtis H. Whitson & Michael R. Brule. (2000). Phase Behavior (SPE Monograph Series Vol. 20). Society of Petroleum Engineers

Próximos Passos¶

Em Planta de Etanol, você simulará um processo de fermentação.