Sistemas de Reação¶

Neste tutorial você modelará a reação de deslocamento gás-água (water-gas shift, CO + H2O ⇌ CO2 + H2) usando a GUI Clássica do DWSIM. Você comparará três modelos de reator, Conversion, Equilibrium e Gibbs, para entender quando cada um é apropriado.

O que você vai aprender

Como definir reações em Edit > Simulation Settings > Reactions
Como adicionar reatores Conversion, Equilibrium e Gibbs a partir da Object Palette
Como associar um reaction set a um reator
Quando escolher cada tipo de reator

Pré-requisitos

Ter completado Coluna de Destilação
Conceito de equilíbrio químico

Visão Geral do Processo¶

O DWSIM oferece vários modelos de reator:

Tipo de Reator	Quando Usar
Conversion	Você conhece o percentual de conversão (de experimentos ou heurísticas)
Equilibrium	Você tem uma expressão de Keq e quer prever a conversão limitada por equilíbrio
Gibbs	Você quer encontrar o mínimo global da energia de Gibbs (sem precisar definir reações)

Por que três tipos diferentes de reator?

Conversion força uma extensão fixa de reação; use quando você tem dados experimentais de conversão ou heurísticas de fornecedor. Equilibrium usa uma expressão de Keq e prevê a conversão limitada por equilíbrio; use quando a cinética da reação é rápida em relação ao tempo de residência. Gibbs minimiza a energia livre total sem definições explícitas de reação; é a abordagem mais geral, mas requer dados termodinâmicos precisos para todas as espécies consideradas.

A reação de water-gas shift (WGS) é industrialmente importante para a produção de hidrogênio: CO + H2O → CO2 + H2.

Diagrama de Fluxo do Processo¶

graph LR
    F["Feed<br/>600 K, 10 atm<br/>CO + H2O + CO2 + H2"] --> R["Reactor<br/>(Conv / Equil / Gibbs)"]
    R --> P["Product<br/>(equilibrium composition)"]

Parâmetros de Projeto¶

Parâmetro	Valor	Unidade
Compostos	Water, Carbon monoxide, Carbon dioxide, Hydrogen	-
Pacote Termodinâmico	Peng-Robinson	-
Temperatura da alimentação	600	K
Pressão da alimentação	10 atm	Pa
Composição da alimentação	40% CO, 40% H2O, 10% CO2, 10% H2	molar
Vazão molar da alimentação	10	mol/s

Passo a Passo na GUI Clássica¶

1. Configurar a simulação¶

File > New Chemical Process Model:

Compounds: Water, Carbon monoxide, Carbon dioxide, Hydrogen
Property Package: Peng-Robinson
Clique em Finish

Por que Peng-Robinson?

Peng-Robinson é o padrão da indústria para hidrocarbonetos, gases leves (CO, CO2, H2, N2) e equilíbrios líquido-vapor a alta pressão. É uma equação cúbica de estado, rápida de avaliar e precisa para sistemas não-polares e fracamente polares. Evite PR para misturas altamente polares ou com ligação de hidrogênio (água-álcool, eletrólitos); para esses, use NRTL/UNIQUAC.

2. Definir a reação WGS¶

Após o assistente fechar, abra Edit > Simulation Settings > Reactions.

Clique em Add New Reaction e escolha o tipo Equilibrium. No editor de reação:

Name: WGS
Stoichiometry:
- Carbon monoxide: -1
- Water: -1
- Carbon dioxide: +1
- Hydrogen: +1
Base compound: Carbon dioxide
Phase: Vapor
Basis: Activity
ln(Keq) Expression: 4577.8/T - 4.33

Reação de equilíbrio WGS definida

Clique em OK para salvar.

Agora crie um Reaction Set chamado WGS_Set e adicione a reação WGS a ele. O Reaction Set é o que você atribui a um reator.

3. Criar a corrente de alimentação¶

Arraste uma Material Stream chamada Feed, configure:

T = 600 K, P = 10 atm, Molar Flow = 10 mol/s
Composition (Mole Fraction):
- Carbon monoxide: 0.4
- Water: 0.4
- Carbon dioxide: 0.1
- Hydrogen: 0.1

4. Inserir um Reator de Equilíbrio¶

Arraste um Equilibrium Reactor da Object Palette para o canvas. Renomeie para R-Eq. Abra o editor:

Calculation Mode: Isothermal
Reaction Set: selecione WGS_Set no dropdown
Pressure Drop: 0 Pa

No painel Connections:

Inlet: Feed
Outlet 1 (Vapor): crie uma nova corrente Product-Eq
Outlet 2 (Liquid): crie uma nova corrente Product-Eq-Liq (pode ficar vazia se tudo for vapor)
Energy: clique em [Click here to create]

Reator de equilíbrio configurado

5. (Opcional) Adicionar um Reator de Conversão para comparação¶

Arraste um Conversion Reactor para o canvas, renomeie para R-Conv. Antes de configurá-lo, defina uma reação do tipo conversão em Edit > Simulation Settings > Reactions (similar à de equilíbrio, mas especificando Conversion (%) = 80) e adicione-a a um novo Reaction Set WGS_Conv.

No editor de R-Conv: atribua o Reaction Set WGS_Conv, modo Isothermal, conecte a Feed e a uma nova saída Product-Conv.

Compartilhando a alimentação entre reatores

Ambos os reatores podem receber a mesma corrente Feed como entrada. O DWSIM duplica automaticamente a vazão da alimentação para cada reator. Para comparar resultados corretamente, copie as condições da alimentação mas use correntes de entrada separadas (Feed-Eq, Feed-Conv).

6. (Opcional) Adicionar um Reator de Gibbs¶

Um reator de Gibbs não precisa de definição de reação: ele minimiza automaticamente a energia livre total de Gibbs. Arraste um Gibbs Reactor, nomeie como R-Gibbs, defina modo Isothermal, sem Reaction Set, conecte correntes de alimentação e saída.

7. Resolver¶

F6 LIGADO → Solve. Todos os reatores convergem.

8. Comparar os produtos¶

Abra a aba Results em cada corrente de produto e compare a fração molar de CO:

Product-Conv (80% de conversão): CO ~ 0,08 (40% × 0,2 = restante exato)
Product-Eq (baseado em Keq a 600 K): CO determinado pelo equilíbrio
Product-Gibbs: deve concordar bastante com Product-Eq

Comparando saídas dos reatores

Resultados e Validação¶

Reator	Conversão de CO	Fração Molar de H2
Conversion (80% fixo)	80% (especificado)	~0,28
Equilibrium (Keq)	Determinado por Keq a 600 K	~0,20-0,30
Gibbs (mínimo de energia livre)	Determinado pela minimização de Gibbs	~0,20-0,30

Resultados esperados

O reator de conversão dá exatamente 80%. Os reatores de Equilíbrio e Gibbs devem concordar bastante (ambos preveem o equilíbrio termodinâmico). Todos os três devem conservar átomos (balanço de C, H, O).

Entendendo os Resultados¶

Conversion: força uma extensão fixa da reação independentemente da termodinâmica. Use quando você tem dados experimentais.
Equilibrium: usa sua expressão de Keq. A 600 K, o WGS favorece os produtos (Keq > 1).
Gibbs: minimiza a energia livre total de Gibbs sem definições explícitas de reação. É o mais geral, mas requer dados termodinâmicos precisos.

Para o WGS, Equilibrium e Gibbs devem concordar bastante, validando tanto sua expressão de Keq quanto o pacote termodinâmico.

Automatizando Este Tutorial¶

Arquivos neste repositório

Script Python: examples/intermediate/03_reaction_systems.py
Simulação pré-construída: examples/saved/reaction_systems.dwxmz

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

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

fs = (Flowsheet.Create("ReactionTutorial")
      .WithCompounds("Water", "Carbon monoxide",
                     "Carbon dioxide", "Hydrogen")
      .WithPropertyPackage(PropertyPackages.PengRobinson))

rxn = fs.DefineEquilibriumReaction("WGS",
    stoichiometry={"Carbon monoxide": -1, "Water": -1,
                   "Carbon dioxide": 1, "Hydrogen": 1},
    baseCompound="Carbon dioxide",
    phase="Vapor", basis="Activity", units="",
    lnKeqExpression="4577.8/T - 4.33")
fs.ReactionSet("WGS_Set").Add(rxn)

feed = (fs.AddMaterialStream("Feed")
        .At(Q.Kelvin(600.0), Q.Pascal(1013250.0))
        .WithMolarFlow(10.0.MolPerSecond())
        .SetCompoundMolarFlow("Carbon monoxide", 4.0)
        .SetCompoundMolarFlow("Water", 4.0)
        .SetCompoundMolarFlow("Carbon dioxide", 1.0)
        .SetCompoundMolarFlow("Hydrogen", 1.0))

product = fs.AddMaterialStream("Product")
q = fs.AddEnergyStream("Q")
fs.AddEquilibriumReactor("R-Eq") \
  .Isothermal() \
  .WithReactionSet("WGS_Set") \
  .ConnectFeed(feed, 0) \
  .ConnectProduct(product, 0) \
  .ConnectEnergyFeed(q, 1)

fs.AutoLayout()
fs.Solve()

Use dwsim.reaction.define_equilibrium para registrar a reação WGS, depois adicione o Reator de Equilíbrio e conecte as correntes via chamadas padrão de ferramentas. Veja o exemplo de reação do MCP Server para a sequência completa.

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 "ReactionTutorial"
- Adicione Water, Carbon monoxide, Carbon dioxide e Hydrogen como
  compostos; configure o pacote termodinâmico como "PengRobinson"
- Defina uma reação de equilíbrio "WGS" com estequiometria
  Carbon monoxide = -1, Water = -1, Carbon dioxide = +1,
  Hydrogen = +1; composto base = Carbon dioxide; fase = Vapor;
  base = Activity; expressão ln(Keq) = "4577.8/T - 4.33".
  Adicione-a a um Reaction Set chamado "WGS_Set"
- Adicione uma corrente material chamada "Feed" a 600 K e 1013250 Pa
  (10 atm) com vazão molar de 10 mol/s e vazões molares por
  componente: Carbon monoxide = 4,0, Water = 4,0, Carbon dioxide = 1,0,
  Hydrogen = 1,0
- Adicione uma corrente material vazia "Product" e uma corrente de
  energia "Q"
- Adicione um Equilibrium Reactor chamado "R-Eq" em modo isotérmico
  usando o reaction set WGS_Set; alimente a partir de Feed, envie a
  saída para Product e conecte Q como corrente de energia
- Resolva o flowsheet
- Reporte as frações molares de saída de CO, H2, CO2 e H2O na
  corrente Product e a conversão de CO

Exercícios

Mude a temperatura para 800 K. Abra o editor do reator → Calculation Mode → defina a nova temperatura, depois resolva novamente. O WGS é exotérmico, então uma temperatura mais alta deve diminuir a conversão de equilíbrio.
Aumente a pressão para 50 atm. Isso afeta o equilíbrio do WGS? (Dica: conte os mols de gás de cada lado.)
Adicione excesso de água (8 mol/s em vez de 4). Como isso desloca o equilíbrio pelo princípio de Le Chatelier?

Leitura Complementar¶

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

A. K. Myers & A. L. Myers. (1986). Numerical Solution of Chemical Equilibria with Simultaneous Reactions. J. Chem. Phys.
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
John M. Prausnitz, Rüdiger N. Lichtenthaler & Edmundo Gomes de Azevedo. (1999). Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria. Prentice Hall PTR
Joseph Smith. (1996). Intro to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill Companies

Próximos Passos¶

Em Loops de Reciclo, você aprenderá como lidar com correntes que retornam para o início do processo.