Study of the kinetic model and plant steady-state simulation for the synthesis of methanol from syngas on a synthetic Cu/ZnO/Al2O3 catalyst

The kinetic of low-pressure methanol synthesis study was performed on a synthetic CZA catalyst by undergoing a reparametrization process for three renowned kinetic models; Vanden Bussche, Graaf, Park. From the results, Vanden Bussche’s model with custom parameters showed the best representation of the kinetics involved. Later, this customized model was employed to simulate a plug flow reactor to which a sensitivity analysis was applied. The results were clear, is crucial to choose a configuration that forces the WGS reaction to occur in the forward direction, and by this, setting the CO2 hydrogenation as the consecutive reaction; this way the WGS reaction will produce the CO2 needed for the hydrogenation reaction while simultaneously consuming the water produced by it. The best configuration for maximizing the methanol production in a standalone reactor was establish. As methanol synthesis is recognizable by having low conversion per pass, which makes it compulsory the use of a recycle stream in plant application, a steady state plant simulation was performed with the custom kinetic model in its core. The results showed that methanol production can be maximized for a plant feed with COratio = 0.95, S = 1.9; which reaches a value of 0.71 and 2.64 respectively at the reactor’s inlet. Under this configuration, for a plant’s feed of 1500 kgmol/h a methanol production of 15100 kg/h is achieved while maintaining a low molar recycle ratio of 4.2.

La cinetica dello studio di sintesi del metanolo a bassa pressione è stata eseguita su un catalizzatore CZA sintetico sottoposti a un proceso di reparametrizzazione per tre rinomati modelli cinetici; Vanden Bussche, Graaf, Park. Dai risultati, il modello di Vanden Bussche con parametri personalizzati ha mostrato la migliore rapprasentazione delle cinetiche coinvolte. Successivamente, questo modello personalizzato è stato impiegato per simulare un reattore con flusso a pistone al quale è stata applicata un’analisi di sensibilità. I risultati sono stati chiari, è fondamentale scegliere una configurazione che costringa la reazione WGS ad avvenire nella direzione avanti, e da questo, impostando l’idrogenazione di CO2 come reazione consecutiva; in questo modo la reazione WGS produrrà la CO2 necessaria per la reazione di idrogenazione consumando contemporaneamente l’acqua prodotta da essa. È stata stabilita la configurazione per massimizzare la produzione di metanolo per un reatore a sé stante. Paiché la sintesi di metanolo è riconoscibile avendo una bassa conversione per passaggio, il che rende obbligatorio l’uso di un flusso di riciclo nell’applicazione dell’impianto, è stata eseguita una simulazione di impianto allo stato stazionario utilizzando il modelo cinetico personalizzato. I risultati hanno mostrato che la produzione di metanolo può essere massimizzata per una alimentazione allo impianto con COratio = 0.95, S = 1.9; che raggiunge un valore di 0.71 e 2.64 rispettivamente all’ingresso del reatore. In questa configurazione, per un impianto con una alimentazione di 1500 kgmol/h si ottiene una produzione di metanolo di 15100 kg/h mantenendo un basso rapporto di ricicle molare uguale a 4.2.