Design and analysis in modelling reactive separation processes

Abstract

This work presents the existence of multiple steady states in equilibrium multistage reactive distillation for methyl tert-butyl ether (MTBE) synthesis. The Rachford-Rice procedure is extended to reactive systems where a continuation analysis was applied using the Damköhler number for an isothermal reactive flash process involving both MTBE and tertiary amyl methyl ether (TAME) mixtures exhibiting Hopf bifurcations. The Extension of this analysis to nonequilibrium models shows the existence of limit points in the case of the TAME mixture and isolas with intersecting branches in the case of the MTBE mixture. New expressions to calculate the nonequilibrium residue composition maps for reactive separation processes incorporating mass transfer effects and design aspects were derived. For MTBE synthesis it was demonstrated that reactive saddle-point azeotrope calculated by equilibrium and nonequilibrium approaches are not the same and for TAME synthesis the nonequilibrium and equilibrium reactive composition curve maps in the limit of reaction equilibrium were obtained.

En este trabajo investigativo se muestra la existencia de Múltiples Estados Estacionarios en el modelamiento de una columna de destilación reactiva en equilibrio de fases para la síntesis de metil terbutil éter (MTBE). El procedimiento de Rachford-Rice se extiende a sistemas de separación con reacción tipo flash, luego a este esquema se le aplica un análisis de continuación utilizando el número de Damköhler, y se estudia la producción de MTBE y teramil metil éter (TAME) donde en ambos sistemas se encontraron bifurcaciones tipo Hopf. El análisis anterior fue extendido a un sistema unitario de separación reactiva de no-equilibrio donde se muestra la existencia de bifurcaciones tipo límite en la síntesis de TAME y el fenómeno de curvas cerradas tipo “isolas” junto con ramificaciones interceptadas en la producción de MTBE. Se derivó una nueva expresión para calcular los mapas residuales de composición donde se incorporó el efecto de transferencia de masa junto a configuraciones de diseño. Con la síntesis de MTBE se demostró que los modelos de equilibrio y no-equilibrio no coinciden en la localización de azeótropos reactivos, y se reportó un mapa de curvas de composición en el límite de la reacción para la producción de TAME.