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Envelope de Fases

Neste tutorial você gerará um envelope de fases pressão-temperatura (PT) para uma mistura de gás natural usando o menu Utilities da GUI Clássica do DWSIM. O envelope de fases mostra as curvas de ponto de bolha e ponto de orvalho, o ponto crítico e as regiões em que a mistura existe como líquido, vapor ou duas fases.

O que você vai aprender

  • O que é um envelope de fases e por que ele importa para o projeto de processos
  • Como acessar o utilitário Phase Envelope no menu Utilities
  • Como ler ponto de bolha, ponto de orvalho, cricondenterma e cricondenbárica no gráfico
  • Como exportar os dados do envelope para análise externa

Pré-requisitos

Visão Geral do Processo

Um envelope de fases é essencial para o processamento de gás natural, projeto de tubulações e qualquer aplicação em que o estado de fase em dada T e P seja crítico. Operadores de tubulações precisam manter o gás em fase única (acima do ponto de orvalho) para evitar dropout de líquido e fluxo em golfadas (slug flow).

Para componentes puros, a fronteira de fase é uma única curva (a curva de pressão de vapor). Para misturas, as curvas de bolha e orvalho delimitam uma região bifásica com o ponto crítico em seu interior.

Parâmetros de Projeto

Parâmetro Valor
Compostos Methane (80%), Ethane (10%), Propane (5%), n-Butane (3%), n-Pentane (2%)
Pacote Termodinâmico Peng-Robinson
Base de composição Molar

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configurar a simulação

File > New Chemical Process Model:

  • Compounds: Methane, Ethane, Propane, N-butane, N-pentane
  • Property Package: Peng-Robinson
  • Clique em Finish

Por que Peng-Robinson?

Peng-Robinson é o padrão da indústria para misturas de hidrocarbonetos, gases leves e equilíbrios a alta pressão. Como EOS cúbica é rápida de avaliar e fornece curvas confiáveis de bolha/orvalho e pontos críticos para gás natural e frações de petróleo. Evite PR para sistemas altamente polares ou com ligação de hidrogênio (água-álcool, eletrólitos), onde modelos de coeficiente de atividade são mais apropriados.

2. Criar uma corrente material com a composição do gás

Arraste uma Material Stream, nomeie como NatGas. As condições da corrente são arbitrárias para a geração do envelope; o que importa é a composição.

No Object Editor:

  • T = 300 K, P = 1 atm, Molar Flow = 1 mol/s
  • Composition (Mole Fraction):
    • Methane: 0.80
    • Ethane: 0.10
    • Propane: 0.05
    • N-butane: 0.03
    • N-pentane: 0.02

Pressione Enter, então F6 LIGADO → Solve para garantir que a corrente esteja calculada.

3. Abrir o utilitário Phase Envelope

No menu do FlowsheetForm: Utilities > Phase Envelope.

Um diálogo abre permitindo escolher:

  • Source stream: selecione NatGas no dropdown
  • Property Package: assume por padrão o pacote da corrente; pode-se sobrescrever aqui
  • Pressure range: deixe no padrão (por exemplo, 1 a 200 bar) ou personalize
  • Temperature range: deixe no padrão

Clique em Calculate.

Configuração do utilitário Phase Envelope

4. Ver o gráfico

O utilitário calcula as curvas de bolha e orvalho e as exibe em um gráfico PT. Pontos-chave são rotulados:

  • Curva de bolha (lado esquerdo, pressão crescente com a temperatura)
  • Curva de orvalho (lado direito, decrescente e depois crescente)
  • Ponto crítico no topo do loop
  • Cricondenterma (ponto mais à direita, T máxima)
  • Cricondenbárica (ponto mais ao alto, P máxima)

Envelope de fases para o gás natural

5. Ler valores específicos

Passe o mouse sobre um ponto em qualquer das curvas para ver T e P exatos. Use o painel Lookup (se visível) ou o botão Export Data para salvar os pontos da curva em CSV/clipboard.

Você também pode clicar com o botão direito no gráfico para opções como Add Hydrate Curve (se o pacote suportar), Save Image ou Copy to Clipboard.

6. Salvar e revisitar

Salve a simulação (File > Save). O gráfico do envelope de fases fica associado à corrente e pode ser reaberto pelo mesmo menu Utilities.

Para comparar envelopes, você pode criar correntes adicionais com composições diferentes, calcular envelopes para cada uma e sobrepô-las em um único gráfico (clique direito no gráfico → Add Series).

Resultados e Validação

Variável Faixa Esperada
Temperatura crítica 190 - 220 K
Pressão crítica 45 - 55 bar
Cricondenterma 250 - 300 K
Cricondenbárica 55 - 70 bar

Resultados esperados

O envelope deve ser uma curva fechada. Para este gás rico em metano, a temperatura crítica está bem abaixo da temperatura ambiente, o que significa que o gás é supercrítico em condições típicas de tubulação (300 K, 70 bar).

Entendendo os Resultados

O envelope de fases revela restrições-chave de projeto:

  • Cricondenterma: temperatura máxima na qual líquido pode existir
  • Cricondenbárica: pressão máxima na qual vapor pode existir
  • Projeto de tubulações: o ponto de operação deve permanecer fora do envelope (vapor monofásico) para evitar dropout de líquido

Por que curvas de bolha e orvalho?

A curva de bolha é calculada rastreando o lugar dos pontos onde a primeira bolha de vapor aparece sob uma varredura (P, T); a curva de orvalho rastreia onde se forma a primeira gota de líquido. As duas curvas se encontram no ponto crítico. Juntas, elas delimitam a região bifásica da mistura multicomponente e indicam, para qualquer (T, P), se o sistema é líquido, vapor ou bifásico.

Peng-Robinson é a EOS padrão para misturas de hidrocarbonetos e fornece envelopes de fase confiáveis para gás natural.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

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

fs = (Flowsheet.Create("PhaseEnvelopeTutorial")
      .WithCompounds("Methane", "Ethane", "Propane",
                     "N-butane", "N-pentane")
      .WithPropertyPackage(PropertyPackages.PengRobinson))

gas = (fs.AddMaterialStream("NatGas")
       .At(Q.Kelvin(300.0), Q.Pascal(101325.0))
       .WithMolarFlow(1.0.MolPerSecond())
       .SetCompoundMolarFlow("Methane", 0.80)
       .SetCompoundMolarFlow("Ethane", 0.10)
       .SetCompoundMolarFlow("Propane", 0.05)
       .SetCompoundMolarFlow("N-butane", 0.03)
       .SetCompoundMolarFlow("N-pentane", 0.02))

fs.Solve()
envelope = gas.GeneratePhaseEnvelope()
print(f"Critical T: {envelope.CriticalTemperatureK:.1f} K")
print(f"Critical P: {envelope.CriticalPressurePa/1e5:.2f} bar")

{"jsonrpc":"2.0","id":1,"method":"tools/call","params":{
  "name":"dwsim.stream.phase_envelope",
  "arguments":{"flowsheet_id":"<ID>","name":"NatGas"}
}}

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 "PhaseEnvelopeTutorial"
- Adicione Methane, Ethane, Propane, N-butane e N-pentane como
  compostos; configure o pacote termodinâmico como "PengRobinson"
- Adicione uma corrente material chamada "NatGas" a 300 K e
  101325 Pa com vazão molar de 1 mol/s e composição em fração
  molar Methane = 0,80, Ethane = 0,10, Propane = 0,05,
  N-butane = 0,03, N-pentane = 0,02
- Resolva o flowsheet
- Gere o envelope de fases da corrente NatGas
- Reporte a temperatura crítica (K) e a pressão crítica (bar)
  da mistura

Exercícios

  1. Adicione 1% de CO2 e 1% de N2 à mistura (reduza o metano para 78%). Como a forma do envelope muda?
  2. Aumente o teor de pentano para 10% (reduza o metano para 72%). Como a cricondenterma se desloca?
  3. Gere envelopes para um gás magro (95% metano, 5% etano) e um gás rico (70% metano + mais pesados). Compare as regiões bifásicas lado a lado.

Leitura Complementar

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

  • Robert A. Heidemann & Ahmed M. Khalil. (1980). The calculation of critical points. AIChE Journal
  • B. Widom. (1965). Equation of State in the Neighborhood of the Critical Point. The Journal of Chemical Physics. doi:10.1063/1.1696618
  • G. G. Simeoni et al.. (2010). The Widom line as the crossover between liquid-like and gas-like behaviour in supercritical fluids. Nature Physics. doi:10.1038/nphys1683
  • Curtis H. Whitson & Michael R. Brule. (2000). Phase Behavior (SPE Monograph Series Vol. 20). Society of Petroleum Engineers
  • Michael Michelsen & Jorgen Mollerup. (2007). Thermodynamic Models: Fundamentals and Computational Aspects. Tie-Line Publications

Próximos Passos

Você completou a trilha intermediária na GUI Clássica! Agora você sabe modelar colunas de destilação, trocadores de calor, reatores, loops de reciclo e envelopes de fase.

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