Process design and evaluation of plasma-assisted methane coupling at industrial scale. Process modeling and economic assessment

The main aim of this thesis is the development of the process flow diagram of the plasmaassisted non-oxidative methane coupling to ethylene plant. This will take into account two scenarios: in the first one, denominated "Hybrid plasma catalytic reaction", the reactor operates at 1 bar and it is divided in a gas section and a catalytic section; while the reactor of the second scenario, named "Gas phase reaction", operates at 5 bar without catalyst. This thesis exploits the results reported in "Low energy cost conversion of methane to ethylene in a hybrid plasma-catalytic reactor system" (M. Scapinello, E. Delikonstantis, G.D. Stefanidis, 2018) and "Direct methane-to-ethylene conversion in a nanosecond pulsed discharge" (E.Delikonstantis, M. Scapinello, G.D. Stefanidis, 2018): it linearly extrapolates the results at industrial scale and simulate the industrial plant using the software Aspen Plus V10. The target is the production of ethylene having the purity required by the market (99,96%). A design of each equipment will be made with a following economical evaluation in order to compare the two different scenarios. It will be proved that the most profitable scenario is the "Hybrid plasma catalytic reaction", even if the operation of the chemical plant does not lead to an economic profit.

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo su scala industriale dell’impianto denominato “Plasma assisted methane coupling”. Questo prenderà in considerazione due diversi scenari: nel primo, denominato "Hybrid plasma catalytic reaction” il reattore opera a 1 bar ed è diviso in una sezione gas e una sezione catalitica; mentre il reattore del secondo scenario, denominato "Gas phase reaction", opera a 5 bar senza catalizzatore. Questa tesi sfrutta i risultati riportati in "Low energy cost conversion of methane to ethylene in a hybrid plasma-catalytic reactor system" (M. Scapinello, E. Delikonstantis, G.D. Stefanidis, 2018) e "Direct methane-to-ethylene conversion in a nanosecond pulsed discharge" (E. Delikonstantis, M. Scapinello, G.D. Stefanidis, 2018): i risultati citati negli articoli vengono estrapolati linearmente su scala industriale e l'impianto viene simulato utilizzando il software Aspen Plus V10. Lo scopo dell’impianto è la produzione di etilene avente la purezza richiesta dal mercato (99,96%). Ciascuna apparecchiatura usata nel processo verrà dimensionata per poter effettuare una valutazione economica, al fine di comparare i due diversi scenari. Sarà dimostrato che lo scenario più conveniente è “Hybrid plasma catalytic reaction”, anche se il funzionamento dell'impianto non porta a un risultato economico profitto.