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Coluna de Destilação

Neste tutorial você simulará uma coluna de destilação rigorosa separando uma mistura de etanol/água usando a GUI Clássica do DWSIM. Esta é a operação de separação mais importante na engenharia química, e o DWSIM a resolve usando um algoritmo inside-out que lida com as equações MESH (balanço de Massa, Equilíbrio, Somatório, balanço de calor / Heat) simultaneamente.

O que você vai aprender

  • Como inserir e configurar uma Coluna de Destilação a partir da Object Palette
  • Como especificar número de estágios, estágio de alimentação, tipo de condensador, razão de refluxo e vazão de produto do refervedor
  • Como ler a carga térmica do condensador, do refervedor e composições dos produtos
  • A relação entre número de estágios, razão de refluxo e qualidade da separação

Pré-requisitos

  • Ter completado Tambor Flash Simples
  • Conceito de destilação multi-estágio: cada estágio teórico é um flash de equilíbrio; uma coluna empilha vários estágios com fluxo contracorrente de vapor/líquido

Visão Geral do Processo

Uma coluna de destilação separa uma mistura líquida explorando diferenças de volatilidade. A alimentação entra em um estágio intermediário. Abaixo da alimentação está a seção de esgotamento (remove o componente leve do líquido); acima está a seção de retificação (enriquece o componente leve no vapor).

O condensador no topo condensa vapor para produzir um destilado líquido e refluxo. O refervedor no fundo vaporiza o líquido para produzir um boilup de vapor e um produto líquido de fundo.

Para etanol/água, NRTL é essencial porque este sistema forma um azeótropo a ~95,6% em massa de etanol. Uma coluna de destilação simples pode produzir etanol até a composição azeotrópica, mas não além.

Diagrama de Fluxo do Processo

graph TB
    F["Feed<br/>350 K, 1 atm<br/>EtOH/H2O"] --> COL["DC-1<br/>Distillation Column<br/>20 stages"]
    COL -->|Distillate| D["Distillate<br/>(ethanol-rich)"]
    COL -->|Bottoms| B["Bottoms<br/>(water-rich)"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro Valor Unidade
Compostos Water, Ethanol -
Pacote Termodinâmico NRTL -
Temperatura da alimentação 350 K
Pressão da alimentação 101325 (1 atm) Pa
Vazão molar da alimentação 100 mol/s
Composição da alimentação 50% Water, 50% Ethanol molar
Número de estágios 20 -
Estágio de alimentação 10 (contando a partir do condensador) -
Tipo de condensador Total -
Especificação do condensador Razão de refluxo = 2,0 -
Especificação do refervedor Vazão molar de fundo = 75 mol/s -

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configurar a simulação

File > New Chemical Process Model → assistente:

  • Compounds: Water, Ethanol
  • Property Package: NRTL
  • Clique em Finish

Por que NRTL para água-etanol?

Água e etanol formam uma mistura líquida fortemente não-ideal, com ligações de hidrogênio e um azeótropo a 95,6% em massa de etanol. Modelos de coeficiente de atividade como NRTL e UNIQUAC capturam esse comportamento com precisão; equações cúbicas de estado (PR, SRK) não conseguem. NRTL tem 3 parâmetros de interação binária por par e excelente precisão de ELV para sistemas polares e associativos.

2. Criar a corrente de alimentação

Arraste uma Material Stream, renomeie para Feed e configure:

  • Temperatura: 350 K
  • Pressão: 1 atm
  • Molar Flow: 100 mol/s
  • Composition (base de Fração Molar): Water = 0.5, Ethanol = 0.5

3. Criar as correntes de produto

Arraste mais duas Material Streams: Distillate e Bottoms. Deixe ambas vazias; a coluna as calculará.

4. Inserir a Coluna de Destilação

Arraste uma Distillation Column da Object Palette para o canvas (ou use Insert > Flowsheet Object e selecione Distillation Column da categoria Columns). Renomeie para DC-1.

Clique duas vezes em DC-1 para abrir o Distillation Column Editor, que tem múltiplas abas:

Aba: Connections

  • Feed Stream(s): Adicione Feed, defina Stage = 10
  • Distillate: Distillate
  • Bottoms: Bottoms
  • Condenser Energy Stream e Reboiler Energy Stream: clique em [Click here to create] para cada uma

Conexões da coluna configuradas

Aba: Configuration / Stages

  • Number of Stages: 20
  • Condenser Type: Total Condenser
  • Pressure Profile: deixe no padrão (uniforme em 1 atm)

Aba: Specifications

A coluna precisa de duas especificações. Defina:

  • Condenser Spec: Reflux Ratio, valor 2.0
  • Reboiler Spec: Product Molar Flow (mol/s), valor 75

Especificações da coluna

Entendendo as especificações da coluna

Uma coluna de destilação tem dois graus de liberdade (depois de fixar as condições da alimentação, estágios e estágio de alimentação). Pares comuns de especificação incluem:

  • Razão de refluxo + Vazão de fundo (usado aqui): controla a qualidade da separação e o split de produtos
  • Vazão de destilado + Vazão de fundo: fixa diretamente o balanço de massa
  • Razão de refluxo + Carga térmica do refervedor: controla qualidade e entrada de energia

5. Resolver

Certifique-se de que F6 (Calculator Active) esteja LIGADO, clique em Solve.

A coluna pode levar algumas iterações para convergir. Observe o painel Console Output (View > Console Output) para mensagens do solver. Quando concluído, todos os objetos ficam verdes.

Coluna convergida

6. Inspecionar os resultados

Clique duas vezes em DC-1 e mude para a aba Results. Revise:

  • Condenser Duty: valor positivo (calor removido no topo)
  • Reboiler Duty: valor positivo (calor adicionado no fundo)
  • Distillate: fração molar de etanol deve ser > 0,80
  • Bottoms: fração molar de etanol deve ser < 0,10

Você também pode inspecionar a aba Stage Profile para ver temperaturas, pressões e composições em cada estágio.

Perfil de estágios ao longo da coluna

Resultados e Validação

Variável Esperado Unidade
Fração molar de etanol no destilado > 0,80 (rico em etanol) -
Fração molar de etanol no fundo < 0,10 (pobre em etanol) -
Carga do condensador > 0 (positiva, calor removido) kW
Carga do refervedor > 0 (positiva, calor adicionado) kW
Balanço de massa Feed = Distillate + Bottoms mol/s

Resultados esperados

O destilado deve ser rico em etanol (componente leve), com fração molar acima de 0,80. O fundo deve ser quase água pura, com fração molar de etanol abaixo de 0,10.

Entendendo os Resultados

A coluna de 20 estágios com razão de refluxo 2,0 fornece boa separação. O destilado se aproxima da composição azeotrópica (~89% mol de etanol), enquanto o fundo é quase água pura.

Aumentar a razão de refluxo melhora a pureza do destilado (até o limite azeotrópico) ao custo de maior consumo de energia (cargas maiores no condensador e refervedor). Adicionar mais estágios também ajuda, mas com retornos decrescentes a partir de certo ponto.

As cargas do condensador e do refervedor estão acopladas: o refervedor fornece a energia para gerar vapor; o condensador remove calor para produzir refluxo líquido. A diferença entre as cargas equivale à variação líquida de entalpia entre alimentação e produtos.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

from DWSIM.Automation.FluentAPI import Flowsheet, PropertyPackages, Q

fs = (Flowsheet.Create("DistillationTutorial")
      .WithCompounds("Water", "Ethanol")
      .WithPropertyPackage(PropertyPackages.NRTL))

feed = (fs.AddMaterialStream("Feed")
        .At(Q.Kelvin(350.0), Q.Pascal(101325.0))
        .WithMolarFlow(100.0.MolPerSecond())
        .SetCompoundMolarFlow("Water", 50.0)
        .SetCompoundMolarFlow("Ethanol", 50.0))

distillate = fs.AddMaterialStream("Distillate")
bottoms = fs.AddMaterialStream("Bottoms")

column = (fs.AddDistillationColumn("DC-1", numberOfStages=20)
          .WithFeed(feed, stage=10)
          .WithCondenserSpec("Reflux Ratio", 2.0)
          .WithReboilerSpec("Product Molar Flow (mol/s)", 75.0)
          .ConnectDistillate(distillate)
          .ConnectBottoms(bottoms))

fs.AutoLayout()
fs.Solve()

print(f"Distillate EtOH = {distillate.OverallMoleFraction('Ethanol'):.4f}")
print(f"Bottoms EtOH    = {bottoms.OverallMoleFraction('Ethanol'):.4f}")
print(f"Condenser duty  = {column.CondenserDutyKW:.2f} kW")
print(f"Reboiler duty   = {column.ReboilerDutyKW:.2f} kW")

Construa o cabeçalho padrão da simulação (flowsheet, compostos Water+Ethanol, pacote termodinâmico NRTL), crie a corrente Feed e então adicione a coluna:

{"jsonrpc":"2.0","id":7,"method":"tools/call","params":{
  "name":"dwsim.unitop.add",
  "arguments":{
    "flowsheet_id":"<ID>","type":"DistillationColumn","name":"DC-1",
    "number_of_stages":20,"feed_stream":"Feed","feed_stage":10,
    "condenser_spec":"Reflux Ratio","condenser_value":2.0,
    "reboiler_spec":"Product Molar Flow (mol/s)","reboiler_value":75.0,
    "distillate_stream":"Distillate","bottoms_stream":"Bottoms"
  }
}}

Em seguida, chame 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 "DistillationTutorial"
- Adicione Water e Ethanol como compostos; configure o pacote
  termodinâmico como "NRTL"
- Adicione uma corrente material chamada "Feed" a 350 K e 101325 Pa
  com vazão molar de 100 mol/s e composição em fração molar de
  50% Water e 50% Ethanol
- Adicione correntes materiais vazias "Distillate" e "Bottoms"
- Adicione uma Coluna de Destilação chamada "DC-1" com 20 estágios;
  a alimentação entra no estágio 10; condensador total; especificação
  do condensador "Reflux Ratio" = 2,0; especificação do refervedor
  "Product Molar Flow (mol/s)" = 75,0; conecte Distillate e Bottoms
  como correntes de produto
- Resolva o flowsheet
- Reporte a fração molar de etanol no Distillate, a fração molar de
  etanol no Bottoms, a carga do condensador (kW) e a carga do
  refervedor (kW)

Exercícios

  1. Aumente a razão de refluxo para 5,0 (aba Specifications → reinsira o valor). Como a pureza de etanol no destilado muda? O que acontece com a carga do refervedor?
  2. Reduza o número de estágios para 10. Você ainda consegue uma boa separação?
  3. Mova o estágio de alimentação de 10 para 5 e depois para 15. Como a localização da alimentação afeta os produtos?

Leitura Complementar

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

  • Henry Z. Kister. (1992). Distillation Design. McGraw-Hill Professional
  • J. D. Seader & Ernest J. Henley. (2005). Separation Process Principles. Wiley
  • W.L. McCabe, J. Smith & P. Harriott. (2005). Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill Education

Próximos Passos

Em Projeto de Trocador de Calor, você modelará a troca térmica em contracorrente entre duas correntes de processo.