Comparative techno-economic assessment between reactive and reactive-cyclic distillation for process intensification : theoretical framework and application to MTBE and MeOAc reactive distillation

Cyclic distillation has gained in the recent years more and more interest, both for academic and industrial scopes. The reason lies in the fact that the periodic operation applied to the distillation is able to increase the efficiencies of the single trays avoiding the phenomenon of the backmixing on the trays. Recently, this feature has been applied also to reactive distillation to understand whether it could be a viable option to combine the two different process intensification to collect the advantages of both. In this work, the two combined feature will be analysed to understand if adding the cyclic option to a reactive column could be a good intensification of the process in terms of purity of the products, energy savings and costs. The study has been conducted on two different case studies that refer to two distinct types of reactions: MTBE synthesis has been chosen to be an example of fast reaction while MeOAc synthesis has been chosen to be an example of slow reaction; both of the two have been adopted because there are lots of examples of their applications in reactive towers. After designing the columns with one of the available algorithms present in literature, each column has been then simulated with a rigorous model, dimensioned and then analysed in terms of cost of the column, of the exchangers and of the utilities. Finally, all these information have been used to compare the reactive towers with and without the cyclic feature.

La distillazione ciclica ha riscosso negli ultimi anni sempre più interesse, sia in ambito accademico che industriale. Il motivo risiede nel fatto che la periodicità, applicata alla distillazione, è in grado di aumentare le efficienze dei singoli piatti evitando il fenomeno del rimescolamento. Recentemente questa caratteristica è stata applicata anche alla distillazione reattiva per studiare se potrebbe essere una valida opzione combinare le due diverse intensificazioni di processo per raccogliere i vantaggi di entrambe. In questo lavoro verranno analizzate le due caratteristiche combinate per capire se rendere ciclica una colonna reattiva risulterebbe in una buona intensificazione del processo in termini di purezza dei prodotti, risparmio energetico e costi. Lo studio è stato condotto su due diversi casi studio che si riferiscono a due distinti tipi di reazioni: la sintesi del MTBE è stata scelta come esempio di reazione veloce mentre la sintesi del MeOAc è stata scelta come esempio di reazione lenta; entrambi sono stati adottati perché sono presenti già molti esempi di loro applicazioni in torri reattive. Dopo aver progettato le colonne con uno degli algoritmi disponibili in letteratura, ogni colonna è stata poi simulata con un modello rigoroso, dimensionata e poi analizzata in termini di costo della colonna, degli scambiatori e delle utenze. Infine, tutte queste informazioni sono state utilizzate per fare un confronto tra le torri reattive standard e le torri reattive e cicliche.