Biogas to methanol : development of a digital twin and data analysis for a pilot plant

This thesis work will present the development and the performances of a bio-methanol pilot plant’s digital twin, where the actual plant is sited in central Italy. The site will be part of a new generation of sustainable chemical plants called BiogasToLiquid (BigSquidTM). By beginning with a brief, but concise, contextualization of the biogas and bio-methanol role and perspective in the industry and energy world, the thesis will explain in detail all the aspects of the digital twin and its development, from the layout to its implementation in DYNSIM®, including the control strategy studies. The plant feature two catalytic reactors, a biogas steam reformer, that will produce syngas, and a shell and tube reactor for methanol synthesis, which have been simulated by implementing a rigorous kinetics model in DYNSIM® for both reactions. Due to biogas uncertainly about its composition both a flexibility and sensitivity analysis has been performed, which will be helpful to address different behavior of the pilot plant. In particular, by using OrangeTM it was possible to also develop a basic prediction model of the simulation performances. Finally, also its responses during a controlled startup and shutdown have been studied, by simulating those operations on DYNSIM®.

Il contenuto di questa tesi riguarda lo sviluppo e i risultati di un digital twin rappresentante un impianto pilota adibito alla sintesi di bio-metanolo usando biogas come materia prima. Il sito in questione, localizzato in Centro Italia, farà parte di una nuova generazione di impianti chimici caratterizzati dall’ utilizzo della tecnologia BiogasToLiquid (BigSquidTM). Iniziando con una breve ma concisa contestualizzazione del ruolo e prospettive di biogas e bio-metanolo nel mondo dell’industria e dell’energia, la tesi discuterà nei dettagli le prestazioni e lo sviluppo del digital twin in questione, dal layout alla sua implementazione in DYNSIM®, compresa la strategia di controllo. L’impianto presenta due reattori catalitici, uno steam-reformer alimentato a biogas, il quale produrrà il syngas e un reattore a shell and tube dedicato alla sintesi del metanolo, i quali sono stati simulati implementando dei modelli cinetici rigorosi in DYNSIM® per entrambe le reazioni. A causa della possibile variazione della composizione del biogas a secondo del periodo sono state effettuate sia un’analisi di sensitività che un’analisi di flessibilità, che saranno utili nella previsione di differenti comportamenti dell’impianto. In particolare, usando OrangeTM è stato possibile sviluppare un modello predittivo delle prestazioni della simulazione, quindi dell’impianto, al variare dei parametri di input. Infine, è stato osservando anche il comportamento delle unità chiave dell’impianto in condizioni di start-up e shutdown controllati.