Microwave-Heated Catalytic Reactor for the Indirect Production of Methanol from Methane: Process Design and Optimization & Techno economic Analysis

Καπερνέκα, Βασιλική; Kaperneka, Vasiliki

dc.contributor.author	Καπερνέκα, Βασιλική	el
dc.contributor.author	Kaperneka, Vasiliki	en
dc.date.accessioned	2024-04-23T10:29:35Z
dc.date.available	2024-04-23T10:29:35Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59259
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26955
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Μεθανόλη	el
dc.subject	Νικροκύματα	el
dc.subject	Εξηλεκτρισμός	el
dc.subject	Υδρογόνωση μονοξειδίου άνθρακα	el
dc.subject	Ξηρή αναμόρφωση μεθανίου	el
dc.subject	Electrification	en
dc.subject	Dry methane reforming	en
dc.subject	Microwave-assisted	en
dc.subject	Carbon emissions	en
dc.subject	CCU	en
dc.title	Microwave-Heated Catalytic Reactor for the Indirect Production of Methanol from Methane: Process Design and Optimization & Techno economic Analysis	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	chemical engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-09
heal.abstract	In recent years, stringent environmental regulations have placed increasing pressure on industries to reduce greenhouse gas emissions, as a means of the transition to a sustainable and low-carbon energy landscape. This ne cessitates the development of innovative processes for carbon capture and utilization (CCU) while concurrently exploring the integration of renewable energy sources (RES) into chemical manufacturing. The goal of this study is to investigate the processes of Dry Methane Reforming (DMR), which utilizes methane and carbon dioxide, the two main greenhouse gases, and methanol synthesis via hydrogenation of CO and CO2, which are derived from the DMR, in order to finally produce approximately 100 ktonnes/year methanol of purity 99.5%. All the upstream and downstream processes were simulated and optimized in Aspen Plus V11 and afterwards a comprehensive techno-economic analysis was conducted by utilizing the MS Excel. Also, a preliminary estimation of the carbon emissions was employed, using the Ecoinvent 3.9.1 (12/2022) database and the CML v4.8 2016 method. In this thesis three case studies (CS) are employed regarding the feedstock, as well as the heating method of the Dry Methane Reforming process: Firstly, a scenario that employs pure fossil-based methane and carbon dioxide (cap tured) as feedstock to a conventional heated reactor (i.e., furnaces using fossil fuels) is set as a base (CS1). Then, in the context of chemical industry electrification, a scenario of Microwave-assisted reactor is developed keep ing fossil-based methane as feedstock (CS2). Lastly, in an effort to replace fossil fuels with renewable materials, biogas is considered as a feed for the MW-assisted catalytic DMR reactor. Due to the high H2S composition of biogas, desulfurization system is placed before the DMR reactor (CS3). The methanol production and purification processes are kept the same in all three case studies. The optimization of the processes regarding the conditions (temperature and pressure), the recycle percentage and the distillation columns’ characteristics, lead in the following results, that are the same in all cases: methane conver sion in the DMR reactor: 99.5%, CO conversion in the methanol synthesis reactor: 44.8% and total yield 73%. Afterwards, a heat integration is carried out, reducing the energy requirements for hot and cold utilities as following: CS1: 2.3 and 3.1 MW, CS2: 2.3 and 2.3 MW and CS3: 2.4 and 2.4 MW, 1 respectively. Then, a techno-economic assessment is performed to estimate the operating costs for the year 2023 and the projects’ feasibility. The cost drivers of the whole unit resulted to be the H2 from water electrolysis (3000 eur/tonne), the high pressure steam (6.86 eur/GJ), the grid electricity (100 eur/MWh) and the capital expenditures (CAPEX). Finally, the project ap peared to be economically nonviable, with net present values (NPV) ranging from -1.3 to -1.7 billion euro for a total 20-year lifetime. However, bearing in mind the predicted prices of the H2, electricity, CO2 and methanol, four scenario analysis were employed for the year 2050 and only for CS2 (CS1 is not viable in the future due to its high utilization of fossil fuels and CS3 is more costly than CS2): 1. The price for the H2 was set at 1000 eur/tonne, for the CO2 34 eur/tonne and for the electricity 20 eur/MWh. The break-even value of methanol resulted to be 1986 eur/tonne, higher than the estimated one (i.e., 630 eur/tonne). 2. An analysis of the economy of scale effect resulted in a zero NPV for a capacity of 3500 ktonne/year (upper limit for industrial scale methanol production according to literature) and a methanol price equal to 1700 eur/tonne 3. A sensitivity analysis for the potential reduction of CAPEX (10-40%) due to the evolution of technology’s maturity. The estimated prices of raw materials, electricity and methanol of 2050 were used. The NPV increased, but was not above zero for any CAPEX reduction. 4. Finally, a synergy of all the above was employed. More specifically, the raw materials’ and electricity’s price of 2050, a capacity of 3500 ktonnes/year MeOH and a 40% reduction of CAPEX due to future maturity of technology were considered in order to find the break even value of methanol (NPV=0), which resulted to be 1674 eur/tonne (16% reduced compared to the initial 2050 break-even value -1986-, but higher than the estimated one -630-). Finally, the CO2 equivalent emissions of all the processes were calculated equal to 1.94, 1.44 and 1.43 kgCO2−equivalent/kgMeOH for CS 1, 2 and 3 re spectively. These values appeared to be comparable to the literature ones, and in fact lower than the some of them (i.e., 5.55 kgCO2−equivalent/kgMeOH in 2 the electrochemical reduction of CO2 method and 12.5-19.8 in the shale gas partial oxidation/SMR method). All in all the project can be considered non profitable in today’s economy, but potentially viable in the future ”green” economy.	en
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια, αυστηροί κανονισμοί περιβαλλοντικής προστασίας έχουν ασκήσει αυξανόμενη πίεση στις βιομηχανίες για τη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου, ως μέσο για τη μετάβαση σε ένα βιώσιμο και χαμηλού άνθρακα ενεργειακό τοπίο. Αυτό απαιτεί την ανάπτυξη καινοτόμων διαδικασιών για τη δέσμευση και χρησιμοποίηση του άνθρακα, ταυτόχρονα με την εξερεύνηση της ενσωμάτωσης πηγών ανανεώσιμης ενέργειας στη χημική βιομηχανία. Στόχος της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση των διαδικασιών της ξηρής αναμόρφω σης του μεθανίου, που χρησιμοποιεί μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, τα δύο κύρια αέρια θερμοκηπίου, και της σύνθεσης μεθανόλης μέσω υδρογόνωσης του μονοξειδίου και διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία προέρχονται από την ΞΑΜ, με σκοπό την παραγωγή περίπου 100 χιλιάδων τόνων/έτος μεθανόλης καθα ρότητας 99.5%. ΄Ολες οι διεργασίες προσομοιώθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν στο Aspen Plus V11 και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη τεχνο-οικονομική ανάλυση χρησιμοποιώντας το MS Excel. Επίσης, πραγμα τοποιήθηκε μια προκαταρκτική εκτίμηση των εκπομπών άνθρακα, χρησιμοποι ώντας τη βάση δεδομένων Ecoinvent 3.9.1 (12/2022) και τη μέθοδο CML v4.8 2016. Στην εργασία αυτή χρησιμοποιούνται τρεις περιπτωσιολογικές με λέτες (ΠΜ) όσον αφορά την τροφοδοσία, καθώς και τη μέθοδο θέρμανσης της ΞΑΜ: Καταρχάς, θεωρήθηκε ως βάση ένα σενάριο με καθαρή τροφοδοσία ορυ κτής προέλευσης μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα, με συμβατική θέρμανση του αντιδραστήρα ΞΑΜ (δηλαδή φούρνοι που καίνε ορυκτά καύσιμα) (πρώτη περίπτωση - ΠΜ1). Στη συνέχεια, στο πλαίσιο του εξηλεκτρισμού της χημικής βιομηχανίας, αναπτύσσεται ένα σενάριο με αντιδραστήρα ΞΑΜ που θερμαίνεται μέσω μικροκυμάτων, διατηρώντας την ίδια τροφοδοσία με την ΠΜ1 (δεύτερη περίπτωση - ΠΜ2). Τέλος, στην προσπάθεια να αντικατασταθούν τα ορυκτά καύσιμα με ανανεώσιμα υλικά, λαμβάνεται υπόψη η χρήση βιοαερίου ως τροφο δοσία στον ΞΑΜ αντιδραστήρα που χρησιμοποιεί μικροκυμάτα για τη θέρμανσή του. Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης του βιοαερίου σε υδρόθειο, ένα σύστημα αφαίρεσης θείου, τοποθετείται πριν από τον αντιδραστήρα ΞΑΜ (τρίτη περίπτω ση - ΠΜ3). Οι διεργασίες σύνθεσης και καθαρισμού της μεθανόλης παραμένουν ίδιες σε όλες τις περιπτωσιολογικές μελέτες. Η βελτιστοποίηση των διαδικασιών όσον αφορά τις συνθήκες (θερμοκρασία και πίεση), το ποσοστό ανακύκλωσης και τα χαρακτηριστικά της αποστακτικής στήλης οδηγεί στα ακόλουθα αποτελέσματα, τα οποία είναι ίδια σε όλες τις 4 περιπτώσεις: μετατροπή μεθανίου στον αντιδραστήρα ΞΑΜ: 99.5%, μετατροπή μονοξειδίου του άνθρακα στον αντιδραστήρα σύνθεσης μεθανόλης: 44.8% και συνολική απόδοση 73%. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η Ενεργειακή Ολο κλήρωση, μείωντας τις ενεργειακές απαιτήσεις για θερμό και ψυχρό μέσο ως εξής: ΠΜ1: 2.3 και 3.1, ΠΜ2: 2.3 και 2.3 και ΠΜ3: 2.4 και 2.4 MW, αντίστοι χα. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια τεχνο-οικονομική αξιολόγηση για να εκτιμηθούν οι λειτουργικές δαπάνες για το έτος 2023 και εντέλει η βιωσιμότητα του έργου. Τη μεγαλύτερη συνεισφορά στο ολικό κόστος την έιχε το υδρο γόνο από ηλεκτρολύση νερού (με 3000 ευρώ/τόνο), ο ατμός υψηλής πίεσης (με 6.86 eur/GJ), η ηλεκτρική ενέργεια (με 100 ευρώ/MWh), καθώς και το υψηλό πάγιο κόστος (ΠΚ). Το έργο εντέλει ήταν οικονομικά μη βιώσιμο σε όλες τις περιπτώσεις, με τιμές της καθαρής παρούσας αξίας (ΚΠΑ) που κυμαίνονταν από -1.3 έως -1.7 δισεκατομμύρια ευρώ για μια συνολική διάρκεια ζωής 20 ετών. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη τις προβλεπόμενες τιμές του υδρογόνου, του ηλε κτρισμού, του διοξείδίου του άνθρακα και της μεθανόλης, πραγματοποιήθηκε μια ανάλυση τεσσάρων σεναρίων για το έτος 2050 και μόνο για την ΠΜ2 (η ΠΜ1 δεν είναι βιώσιμη στο μέλλον λόγω της υψηλής αξιοποίησής ορυκτών καυσίμων και η ΠΜ3 είναι πιο δαπανηρή από το ΠΜ2): 1. Η τιμή για το υδρογόνο ορίστηκε στα 1000 ευρώ/τόνο, για το διοξείδιο του άνθρακα στα 34 ευρώ/τόνο και για την ηλεκτρική ενέργεια στα 20 ευ ρώ/MWh. Η τιμή νεκρού σημείου της μεθανόλης κατέληξε να είναι 1986 ευρώ/τόνο, υψηλότερη από την εκτιμώμενη (δηλαδή, 630 ευρώ/τόνο). 2. Μια ανάλυση της επίδρασης της οικονομίας κλίμακας που οδήγησε σε μηδενική ΚΠΑ για δυναμικότητα 3500 χιλιοτόννους/έτος (ανώτατο όριο για την παραγωγή μεθανόλης σε βιομηχανική κλίμακα σύμφωνα με τη βιβλιογραφία) και τιμή μεθανόλης ίση με 1700 ευρώ/τόνο. 3. Μια ανάλυση ευαισθησίας για την πιθανή μείωση του ΠΚ (10-40%) λόγω της εξέλιξης της ωριμότητας της τεχνολογίας. Χρησιμοποιήθηκαν οι ε κτιμώμενες τιμές πρώτων υλών, ηλεκτρικής ενέργειας και μεθανόλης του 2050. Η ΚΠΑ αυξήθηκε, αλλά δεν ήταν πάνω από το μηδέν για οποια δήποτε μείωση ΠΚ. 4. Τέλος, υλοποιήθηκε μια συνέργεια όλων των παραπάνω. Πιο συγκεκρι μένα, η τιμή πρώτων υλών και ηλεκτρικής ενέργειας του 2050, μια δυ ναμικότητα 3500 χιλιοτόννων/έτος μεθανόλης και 40% μείωση του ΠΚ 5 λόγω μελλοντικής ωριμότητας της τεχνολογίας ελήφθησαν υπόψη για να βρεθεί η νεκρή τιμή της μεθανόλης (ΚΠΑ =0), ίση με 1674 ευρώ/τόνο (16% μειωμένη σε σύγκριση με την αρχική τιμή νεκρού σημείου του 2050 -1986-, αλλά υψηλότερη από την εκτιμώμενη -630-). Τέλος, οι ισοδύναμες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα όλων των διεργασιών υπολογίστηκαν ίσες με 1.94, 1.44 και 1.43 kgCO2−eq/kgMeOH για τις ΠΜ 1, 2 και 3 αντίστοιχα. Αυτές οι τιμές ήταν συγκρίσιμες με τις βιβλιογραφικές και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμα και χαμηλότερες από αυτές (για παράδειγμα, 5.55 kgCO2−eq/kgMeOH στην περίπτωση ηλεκτροχημικής μείωσης του διοξειδίου του άνθρακα και 12.5-19.8 στη μέθοδο μερικής οξείδωσης/αναμόρφωσης μεθα νίου με ατμό σχιστολιθικού αερίου). Συνολικά το έργο μπορεί να θεωρηθεί μη κερδοφόρο στη σημερινή οικονομία, αλλά δυνητικά βιώσιμο στη μελλοντική «πράσινη» οικονομία.	el
heal.advisorName	Στεφανίδης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Καβουσανάκης, Μιχαήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	123 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false