Modelagem dinâmica em condição de não equilíbrio da destilação reativa em batelada simples

Abstract

A interação entre transferência de massa e reação química gera dinâmicas não lineares complexas no processo de destilação reativa em batelada (DR). Neste trabalho, avaliou-se a aplicação do modelo irreversível para cálculo de mapas de curvas residuais reativos (RRCM) para um destilador reativo em batelada simples. A destilação reativa em batelada da mistura não ideal isobuteno/metanol/éter metil terc-butílico (MTBE) foi utilizada como estudo de caso. As equações diferenciais algébricas (DAE) resultantes foram resolvidas pelo método de Runge-Kutta para problemas rígidos (stiffness) com formulação implícita. Azeotropia dinâmica e multiplicidade de estados estacionários foram observados para a mistura não ideal em estudo. Foi verificado que a topologia dos RRCMs pode ser manipulada por meio do número de Damköhler e parâmetros operacionais como área interfacial (A) e vazão de retirada de vapor (q). Em relação ao modelo de equilíbrio, foram observadas novas regiões de destilação, novos pontos azeotrópicos binários e ternários e novos limites de destilação (separatrizes). A análise de bifurcação pelo método da continuação numérica mostrou mudanças da composição e, em alguns casos, o desaparecimento de pontos singulares em função dos valores dos parâmetros de continuação (número de Damköhler, vazão de retirada de vapor e área interfacial), causando drástica alteração na topologia dos RRCM. Esta avaliação envolvendo os dois últimos parâmetros é inédita na literatura. A análise de bifurcação revelou as limitações da análise do modelo de equilíbrio termodinâmico. O modelo de equilíbrio termodinâmico demonstrou ser um caso limite da modelagem proposta, que pode ser obtido aumentando a área interfacial ou diminuindo a taxa de retirada de vapor no modelo de não equilíbrio. Os resultados obtidos são aplicáveis ao aperfeiçoamento do projeto e a avaliação de colunas de destilação reativa.