Methanol downstream purification techniques in pilot and industrial-scale plants : a techno-economic analysis

Methanol is one of the most important chemicals nowadays, its production has been growing markedly in the last decade, because of its primary role in the hydrogen economy and because it is an optimal energy carrier and a raw material for many productions of chemicals. It is essential that methanol has the right composition for the different uses in which it is involved, to do so distillation columns are the main equipment used. In this study different layouts of the separation section of methanol are studied, with an increasing number of columns, each one in a pilot case and an industrial case, considering also the use of heat integration in the layouts with multiple columns, to verify if it is possible to reduce more the use of energy, and so the overall cost of the process, with its use. A steady-state simulation has been done for each one of the layouts considered, in this way it was possible to verify that, under the operative point of view, using multiple columns will reduce the overall energy required for the process, and that heat integration reduces even more the energy needed. This is verified also under the economic point of view, with an evaluation of the cost of the plants based on the data obtained with the steady-state simulation. The data of the steady-state simulation are used also to design the two-columns layout without heat integration, in the industrial case, which today is the most used layout for the separation section of methanol; this is needed for the dynamic simulation of the process, made to verify the correctness of the designed control system of the plant and the series of operations needed for the start-up and shut-down of the plant.

Il metanolo è uno dei composti oggi più importanti ed utilizzati, la sua produzione è aumentata in maniera esponenzialmente dell’ultima decade, a causa del suo ruolo primario nell’economia dell’idrogeno, per la sua funzione di vettore energetico e per il suo ruolo di materia prima nei processi produttivi di molti composti chimici. È importante che il metanolo abbia la composizione corretta per i diversi settori in cui deve essere utilizzato, per ottenere questo risultato le colonne di distillazione sono i macchinari più utilizzati nei processi di separazione. In questo studio sono presi in considerazione diversi schemi di impianto per la sezione di separazione del metanolo, con un numero crescente di colonne, ciascuno nel caso di un impianto pilota e di un impianto industriale, considerando anche la possibilità di sfruttare l’integrazione di calore all’interno degli impianti con più di una colonna, per verificare la possibilità di ridurre maggiormente la quantità di energia utilizzata negli impianti e il costo totale dei processi. Ciascun schema di impianto è simulato in stazionario per verificare che, sotto il punto di vista operativo, l’utilizzo di più di una colonna riduca l’energia totale richiesta dall’impianto, e che l’integrazione di calore riduca ancora di più l’energia richiesta. Questo aspetto è verificato anche sotto il punto di vista economico, attraverso una valutazione dei costi basata sui dati ottenuti dalle simulazioni in stazionario. I dati delle simulazioni in stazionario sono utilizzati anche per fare un design iniziale dell’impianto a due colonne senza integrazione di calore, nel caso di un impianto industriale, questo è lo schema oggi più utilizzato nei processi di separazione del metanolo. Il design dell’impianto è necessario per effettuare una simulazione dinamica, utilizzata per verificare la correttezza e del sistema di controllo e della serie di operazione necessarie per l’avviamento e spegnimento dell’impianto.