Biomethanol production plant : design and optimization of the purification section

Methanol results as a crucial commodity in the present and future chemical and energy industry due to its numerous applications. Bio-methanol production from biomass, inexpensive and highly available raw material, represents a green and renewable path to obtain this product, realising its supply from reliance on fossil fuels. The principal limitation, at the current knowledge state, to biomass-to-methanol technology is constituted by the incremental cost of the process with respect to the traditional routes from methane or coal. This thesis work, performed within the GASP research group of Politecnico di Milano, is inserted into a larger project, whose aim is to design a complete and competitive biomass-to-methanol plant. It focuses on the design and optimization of the downstream separation section of a biomass-to-methanol plant to obtain a methanol product, whose specifications are defined by the IMPCA regulation. The process layout has to properly handle a variable flow rate coming from the reactor section, thus, a particular concern is on its flexibility. The commercial simulation software Aspen Plus® has been employed in order to study different schemes for the purification section, including heat recovery layouts. The configuration process moves towards a deeper exploitation of heat integration since an efficient energy management is considered as the preferred route to the minimization of the discounted net present cost and of the environmental impact of the plant. The evaluated schemes have been compared on the basis of a techno-economic analysis.

Il metanolo è considerato una commodity cruciale all’interno del panorama dell’industria chimica ed energetica presente e, principalmente, futura, grazie alle sue numerose e diversificate applicazioni. La produzione di biometanolo a partire dalle biomasse, le quali rappresentano una materia prima economica e largamente disponibile, costituisce un percorso alternativo, verde e rinnovabile, svincolando la sua fornitura dall’approvvigionamento e consumo di combustibili fossili. La principale limitazione per questa tecnologia, allo stato attuale, è dovuta al costo superiore del processo rispetto alla conversione tradizionale a partire da metano o carbone. Questa tesi, sviluppata all’interno del gruppo di ricerca GASP del Politecnico di Milano, è inserita in un progetto più ampio, il cui scopo è di determinare la progettazione di un intero impianto che permetta di produrre metanolo a partire da biomasse in maniera competitiva. Il lavoro si focalizza sul design e l’ottimizzazione della sezione di separazione conclusiva dell’impianto, per ottenere una corrente finale di metanolo, che deve soddisfare le specifiche dettate dalle norme dell’IMPCA. Lo schema di processo deve gestire correttamente una portata variabile proveniente dalla sezione del reattore, quindi, fondamentale risulta la sua flessibilità. Il software di simulazione commerciale Aspen Plus® è stato impiegato per analizzare diversi schemi della sezione di purificazione, incluse alcune configurazioni con integrazione delle fonti di calore. Il processo di definizione della struttura dell'impianto è rivolto ad una più intensa integrazione delle fonti di calore poiché un’efficiente gestione delle stesse è ritenuta la strada preferenziale per la minimizzazione del costo attuale netto e dell’impatto ambientale del processo. Gli schemi esaminati sono stati confrontati in base ad un’analisi tecnico-economica.