Síntese de Metanol

Neste tutorial você modelará a síntese industrial de metanol a partir do gás de síntese (CO + 2 H2 → CH3OH) na GUI Clássica do DWSIM. Este é o tutorial final da trilha: combina compressão, reação de equilíbrio, separação e (opcionalmente) uma malha de reciclo.

O que você vai aprender

• Como projetar uma malha de síntese completa com múltiplas operações unitárias
• Como modelar a síntese de metanol em alta pressão
• Como balancear a conversão por passe com a conversão global por meio de reciclo

Pré-requisitos

• Síntese de Amônia e Malhas de Reciclo concluídos

Visão Geral do Processo

Metanol a partir de gás de síntese (CO + CO2 + H2):

CO + 2 H2 → CH3OH (exotérmica, limitada por equilíbrio)

Condições industriais: 50-100 bar, 200-300 °C, catalisador de cobre-zinco-alumina. A conversão por passe é de apenas 15-25%, então o gás de síntese não convertido precisa ser reciclado.

Começamos com o modelo em passe único; o reciclo fica como exercício.

Diagrama de Fluxo do Processo

graph LR
    F["Syngas<br/>2:1 H2:CO<br/>30 bar"] --> C["C-1<br/>Compressor<br/>80 bar"]
    C --> H["H-1<br/>Heater<br/>525 K"]
    H --> R["R-1<br/>Eq. Reactor"]
    R --> CL["CL-1<br/>Cooler<br/>308 K"]
    CL --> SEP["SEP-1<br/>Separator"]
    SEP -->|Gas| PG["Recycle Gas"]
    SEP -->|Liquid| MeOH["Crude Methanol"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro	Valor
Compostos	Hydrogen, Carbon monoxide, Methanol
Pacote Termodinâmico	Peng-Robinson
Alimentação	3 mol/s (2 H2 + 1 CO), 300 K, 30 bar
Saída do compressor	80 bar, eficiência de 75%
T do reator	525 K (252 °C), isotérmico
Saída do resfriador	308 K
ln(Keq)	9143/T - 29.07

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configuração

File > New Chemical Process Model:

• Compostos: Hydrogen, Carbon monoxide, Methanol
• Pacote Termodinâmico: Peng-Robinson

Por que Peng-Robinson para gás de síntese?

PR trata bem gases leves em alta pressão e o comportamento quase supercrítico do H2. A contribuição de ligações de hidrogênio do metanol é menor na temperatura elevada do reator, de modo que a precisão da PR é aceitável para essa malha de síntese.

2. Definir a reação de síntese de metanol

Edit > Simulation Settings > Reactions → adicionar Equilibrium:

• Nome: MeOH_Synth
• Estequiometria: Carbon monoxide = -1, Hydrogen = -2, Methanol = +1
• Composto base: Methanol, Phase: Vapor, Basis: Activity
• ln(Keq): 9143/T - 29.07

Crie o Reaction Set MeOHSet contendo essa reação.

Por que um Equilibrium Reactor?

Como na síntese de amônia, a síntese de MeOH é limitada por equilíbrio nas condições industriais. O Equilibrium Reactor fornece o teto termodinâmico do rendimento; reatores reais se aproximam, mas não atingem esse limite, e o reciclo do gás de síntese não reagido é o que eleva a conversão global a mais de 95%.

Por que pressão alta (80 bar)?

CO + 2 H2 → CH3OH reduz 3 mols de gás a 1 mol; P alta desloca o equilíbrio para MeOH conforme Le Chatelier. Plantas industriais de metanol de baixa pressão operam entre 50-100 bar, equilibrando o ganho de rendimento contra o custo de compressão.

3. Construir o trem

Arraste e configure (espelhando o padrão do tutorial de síntese de amônia):

1. Material Stream Syngas: T=300 K, P=30 bar, vazão molar total=3 mol/s, frações molares: H2=0,667, CO=0,333, MeOH=0
2. Compressor C-1: Adiabatic, saída=80 bar, η=75%
3. Material Stream Comp-Out (vazia)
4. Heater H-1: T de saída=525 K
5. Material Stream Hot (vazia)
6. Equilibrium Reactor R-1: Isothermal, Reaction Set=MeOHSet
7. Material Stream Reactor-Out (saída de vapor, vazia)
8. Material Stream Reactor-Liq (saída líquida, vazia)
9. Cooler CL-1: T de saída=308 K
10. Material Stream Cooled (vazia)
11. Separator Vessel SEP-1
12. Material Stream Recycle-Gas (vazia)
13. Material Stream Crude-Methanol (vazia)

Conecte tudo com as correntes de energia adequadas (W_comp, Q_rx, Q_cool).

4. Resolver

F6 LIGADO → Solve.

5. Inspecionar resultados

• Corrente Crude-Methanol Results: fração molar de metanol > 0,95 (em razão do PE muito mais alto do MeOH em relação a H2/CO)
• Recycle-Gas Results: rica em H2 (porque cada mol de CO convertido consome 2 mol de H2), ainda contém CO não reagido
• R-1 Results: conversão de CO por passe (15-30%)
• W_comp Energy: potência de compressão

Resultados e Validação

Variável	Esperado
Conversão de CO por passe	15-30%
Pureza do metanol bruto	> 0,95 fração molar
Razão H2/CO no gás de reciclo	> 2,0 (rica em H2)

Resultados esperados

Conversão por passe limitada por equilíbrio a 525 K e 80 bar. O líquido resfriado é metanol de alta pureza devido às diferenças de PE.

Entendendo os Resultados

A síntese de metanol é um exemplo clássico de projeto de reator limitado por equilíbrio:

• Le Chatelier: 3 mol de gás → 1 mol de produto, então P alta desloca o equilíbrio para os produtos
• Temperatura: T baixa favorece o equilíbrio, mas o catalisador requer ~250 °C
• Reciclo: a conversão por passe é baixa; reciclar o gás de síntese não reagido eleva a conversão global a mais de 95%

Em uma planta real: compressor de reciclo + pequena purga para remover inertes; depois destilação para remover água e leves do metanol bruto.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

• Script Python: examples/advanced/07_methanol_synthesis.py
• Simulação pré-construída: examples/saved/methanol_synthesis.dwxmz

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

Veja examples/advanced/07_methanol_synthesis.py no repositório DWSIM.Tutorials.

dwsim.reaction.define_equilibrium, depois dwsim.unitop.add para cada operação em sequência.

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 "MethanolSynthesis"
- Adicione Hydrogen, Carbon monoxide e Methanol como compostos;
  configure o pacote termodinâmico como "Peng-Robinson"
- Defina uma reação de equilíbrio "MeOH_Synth" com estequiometria
  CO = -1, H2 = -2, Methanol = +1; composto base = Methanol,
  fase = Vapor, base = Activity, ln(Keq) = 9143/T - 29.07;
  adicione-a a um novo conjunto de reações "MeOHSet"
- Adicione uma corrente material "Syngas" a 300 K e 30 bar com vazão
  molar total = 3 mol/s e frações molares H2 = 0,667, CO = 0,333,
  MeOH = 0
- Adicione um Compressor "C-1" (adiabático, P de saída = 80 bar,
  eficiência = 75%) com corrente de energia W_comp
- Adicione um Heater "H-1" com T de saída = 525 K
- Adicione um Equilibrium Reactor "R-1" em modo isotérmico usando o
  conjunto de reações MeOHSet, com corrente de energia Q_rx
- Adicione um Cooler "CL-1" com T de saída = 308 K, corrente de
  energia Q_cool
- Adicione um Separator Vessel "SEP-1" com saída de vapor
  "Recycle-Gas" e saída líquida "Crude-Methanol"
- Conecte: Syngas → C-1 → H-1 → R-1 → CL-1 → SEP-1
- Resolva o flowsheet
- Reporte a conversão de CO por passe em R-1, a fração molar de
  metanol em Crude-Methanol, a razão H2/CO em Recycle-Gas, e os
  fluxos de energia W_comp, Q_rx e Q_cool

Exercícios

1. Reduza T do reator para 475 K. Como muda a conversão por passe?
2. Aumente a pressão para 120 bar. O custo adicional de compressão se justifica?
3. Adicione uma operação lógica Recycle: conecte Recycle-Gas de volta a um Mixer na entrada do compressor (com pequena corrente de purga via Splitter para inertes).
4. Adicione CO2 (10 mol%) à alimentação e uma segunda reação de equilíbrio (CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O) para um gás de síntese mais realista.

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
• Ding-Yu Peng & Donald B. Robinson. (1976). A New Two-Constant Equation of State. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. doi:10.1021/i160057a011
• James H. Gary, Glenn E. Handwerk & Mark J. Kaiser. (2007). Petroleum Refining: Technology and Economics. CRC Press
• A. K. Myers & A. L. Myers. (1986). Numerical Solution of Chemical Equilibria with Simultaneous Reactions. J. Chem. Phys.

Próximos Passos

Parabéns! Você concluiu a trilha de tutoriais avançados na GUI Clássica. Você construiu simulações completas de:

• Refrigeração por compressão de vapor
• Síntese de amônia (Haber-Bosch)
• Destilação de aromáticos
• Processamento de gás natural
• Fermentação de bioetanol
• Dessalinização por osmose reversa
• Síntese de metanol

Continue na Trilha de Funcionalidades para explorar TEA, ACV e o Assistente de IA.