Vaso Flash Simples¶

Neste tutorial você aquecerá uma mistura água/etanol até que ela vaporize parcialmente, e então separará as duas fases em um Separator Vessel (vaso flash) na GUI Clássica do DWSIM. Isso introduz sistemas multicomponentes e equilíbrio de fases.

O que você vai aprender

Como adicionar múltiplos compostos a uma simulação
Como escolher um pacote termodinâmico para sistemas não-ideais (NRTL)
Como especificar uma composição multicomponente no Object Editor
Como usar a operação unitária Separator Vessel
Como ler composições dos produtos vapor e líquido

Pré-requisitos

Concluiu Aquecedor e Resfriador
Conceito de equilíbrio vapor-líquido: a uma dada T e P, uma mistura se divide em fases de acordo com o equilíbrio termodinâmico

Visão Geral do Processo¶

Um vaso flash é um dos dispositivos de separação mais comuns na indústria química. Um líquido pressurizado é aquecido acima do seu ponto de bolha, produzindo uma mistura bifásica. A mistura entra no vaso, onde a gravidade separa o vapor (subindo) do líquido (descendo).

A volatilidade relativa entre etanol e água significa que a fase vapor será enriquecida em etanol (o componente mais volátil), enquanto a fase líquida reterá mais água. Este é o mesmo princípio por trás da destilação, mas um único estágio flash alcança separação limitada.

Diagrama de Fluxo do Processo¶

graph LR
    F["Alimentacao<br/>300 K, 1 atm<br/>50% EtOH / 50% H2O"] --> H["H-1<br/>(Aquecedor)"]
    H --> TF["Bifasica<br/>~360 K"]
    TF --> S["SEP-1<br/>(Separator Vessel)"]
    S -->|Vapor| V["Produto Vapor<br/>(rico em etanol)"]
    S -->|Liquido| L["Produto Liquido<br/>(rico em agua)"]

Parâmetros de Projeto¶

Parâmetro	Valor	Unidade
Compostos	Water, Ethanol	-
Pacote Termodinâmico	NRTL	-
Temperatura da alimentação	300	K
Pressão da alimentação	101325 (1 atm)	Pa
Vazão mássica da alimentação	1,0	kg/s
Composição da alimentação	50% Water, 50% Ethanol	fração mássica
Temperatura de saída do aquecedor	360	K

Por que NRTL?

O sistema água/etanol é fortemente não-ideal (forma um azeótropo a ~78,1 °C). Modelos ideais como a Lei de Raoult dariam previsões incorretas de ELV. NRTL (Non-Random Two-Liquid) é um modelo de coeficiente de atividade com parâmetros de interação binária bem caracterizados para este sistema.

Passo a Passo na GUI Clássica¶

1. Criar uma nova simulação com Water + Ethanol + NRTL¶

File > New Chemical Process Model → o assistente abre.

Página Compounds: pesquise e adicione tanto Water quanto Ethanol
Página Property Packages: selecione NRTL no menu e adicione
Aceite os padrões nas demais páginas, clique em Finish

Dois compostos adicionados

2. Adicionar a corrente de alimentação¶

Arraste uma Material Stream para o canvas, renomeie para Alimentacao, e no Object Editor insira:

Temperature: 300 K
Pressure: 1 atm
Mass Flow: 1 kg/s

Na seção Composition, mude o menu de base para Mass Fraction (se ainda não estiver), e insira:

Water: 0.5
Ethanol: 0.5

Pressione Enter para confirmar. O DWSIM normaliza se os valores não somarem exatamente 1,0.

Composição da alimentação inserida

3. Adicionar o aquecedor e a saída bifásica¶

Arraste uma Material Stream chamada Bifasica (deixe vazia).

Arraste um Heater chamado H-1, configure:

Calculation Mode: Outlet Temperature
Outlet Temperature: 360 K (ou 87 °C)
Pressure Drop: 0 Pa
Efficiency: 100 %

No painel Connections do Heater:

Inlet: Alimentacao
Outlet: Bifasica
Energy: clique em [Click here to create]

4. Inserir o Separator Vessel¶

Arraste um Separator Vessel da Object Palette para o canvas, renomeie para SEP-1. Abra seu Object Editor.

O Separator Vessel não precisa de especificações - ele simplesmente divide a alimentação nas fases vapor e líquida nas condições de entrada.

5. Adicionar as correntes de produto e conectar¶

Arraste mais duas Material Streams para o canvas e renomeie para Vapor e Liquido (ambas vazias).

No painel Connections de SEP-1:

Inlet 1: Bifasica
Vapor Outlet: Vapor
Liquid Outlet: Liquido

Vaso separador conectado

6. Resolver¶

Certifique-se de que F6 (Calculator Active) está LIGADO, clique em Solve. Todos os objetos ficam verdes.

7. Inspecionar os produtos¶

Clique duas vezes na corrente Vapor → aba Results. Observe:

Vazão mássica de vapor (~0,55 kg/s, depende do NRTL)
Fração mássica de etanol (~0,65, enriquecida)

Clique duas vezes na corrente Liquido → aba Results:

Vazão mássica do líquido (~0,45 kg/s)
Fração mássica de etanol (~0,32, empobrecida)

Clique duas vezes na corrente Bifasica → verifique o campo Vapor Fraction; deve estar entre 0 e 1, confirmando uma mistura bifásica.

Produto vapor enriquecido em etanol

Resultados e Validação¶

Variável	Esperado	Unidade
Fração de vapor da corrente bifásica	0,4 - 0,8	-
Vazão mássica do vapor	0,4 - 0,8	kg/s
Vazão mássica do líquido	0,2 - 0,6	kg/s
Fração mássica de etanol no vapor	> 0,50 (enriquecido)	-
Fração mássica de etanol no líquido	< 0,50 (empobrecido)	-
Balanço de massa	1,0 = vapor + líquido	kg/s

Resultados esperados

O produto vapor deve estar enriquecido em etanol (o componente mais volátil), enquanto o produto líquido deve ter maior teor de água. A vazão mássica total de vapor + líquido deve ser igual à alimentação (1,0 kg/s).

Entendendo os Resultados¶

A 360 K e 1 atm, a mistura água/etanol está entre seu ponto de bolha (~351 K) e ponto de orvalho (~357 K para esta composição). O cálculo flash determina quanto da alimentação vaporiza e a composição de equilíbrio de cada fase.

O etanol tem um ponto de ebulição mais baixo (78,3 °C) que a água (100 °C), então ele entra preferencialmente na fase vapor. Porém, a separação em um único estágio flash é limitada. Para alcançar maior pureza de etanol, você precisaria de múltiplos estágios, que é exatamente o que uma coluna de destilação faz. Você explorará isso no tutorial Coluna de Destilação.

O modelo NRTL captura o comportamento não-ideal deste sistema, incluindo o azeótropo em aproximadamente 95,6% de etanol em massa.

Automatizando Este Tutorial¶

Arquivos neste repositório

Script Python: examples/beginner/04_flash_drum.py
Simulação pré-construída: examples/saved/flash_drum.dwxmz

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

Veja examples/beginner/04_flash_drum.py no repositório DWSIM.Tutorials.

Sequência padrão com dwsim.thermo.add_compounds (Water, Ethanol), dwsim.thermo.set_property_package (NRTL), criação da corrente de alimentação com composição, então dwsim.unitop.add (Heater + Separator), conexões via dwsim.unitop.connect, finalmente 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 "TutorialFlash"
- Adicione Água (Water) e Etanol (Ethanol) como compostos e
  configure o pacote termodinâmico como "NRTL"
- Adicione uma corrente material chamada "Alimentacao" a 300 K e
  101325 Pa, com vazão mássica de 1,0 kg/s e composição em fração
  mássica Water = 0,5 e Ethanol = 0,5
- Adicione uma corrente material vazia chamada "Bifasica" e uma
  corrente de energia chamada "ES-H1"
- Adicione um aquecedor (Heater) chamado "H-1" no modo "Outlet
  Temperature" com temperatura de saída 360 K, queda de pressão
  0 Pa e eficiência 100%; conecte "Alimentacao" como entrada,
  "Bifasica" como saída e "ES-H1" como corrente de energia
- Adicione duas correntes materiais vazias chamadas "Vapor" e
  "Liquido"
- Adicione um vaso separador (Separator Vessel) chamado "SEP-1" e
  conecte "Bifasica" como entrada, "Vapor" como saída de vapor e
  "Liquido" como saída de líquido
- Resolva o flowsheet
- Reporte a fração de vapor da corrente "Bifasica", as vazões
  mássicas (kg/s) das correntes "Vapor" e "Liquido", e a fração
  mássica de etanol em cada uma dessas duas correntes

Exercícios

Mude a saída do aquecedor para 355 K (menos vaporização). Como isso afeta a divisão vapor/líquido?
Aumente a saída do aquecedor para 370 K (mais vaporização). A que temperatura a alimentação se torna completamente vaporizada?
Mude a composição da alimentação para 80% etanol / 20% água. O vapor fica ainda mais rico em etanol?
Substitua NRTL por Lei de Raoult: Edit > Simulation Settings > Thermodynamics, remova NRTL e adicione Raoult's Law. Resolva novamente. Compare os resultados.

Leitura Complementar¶

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

H. Renon & J. M. Prausnitz. (1968). Local Compositions in Thermodynamic Excess Functions for Liquid Mixtures. AICHE Journal
Michael L. Michelsen. (1982). The isothermal flash problem. Part I: Stability. Fluid Phase Equilibria. doi:10.1016/0378-3812(82)85001-2
H. H. Rachford & J. D. Rice. (1952). Procedure for Use of Electronic Digital Computers in Calculating Flash Vaporization Hydrocarbon Equilibrium. Journal of Petroleum Technology. doi:10.2118/952327-G
John M. Prausnitz, Rüdiger N. Lichtenthaler & Edmundo Gomes de Azevedo. (1999). Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria. Prentice Hall PTR

Próximos Passos¶

Parabéns, você completou a trilha iniciante na GUI Clássica! Você agora sabe como configurar simulações, adicionar operações unitárias, gerenciar conexões através do Object Editor e inspecionar resultados.

Pronto para mais? Comece a trilha intermediária com Coluna de Destilação para aprender como modelar uma separação multi-estágio rigorosa.