Optimal design of a plant for dimethyl ether production from biogas

Global warming is an urgent issue that must be tackled immediately to rescue the world. The chemical industry, one of the most significant contributors to pollution, might be completely redesigned as a potential remedy to it. Circular economy and waste-to-product are becoming increasingly widespread. In the light of this approach, biogas production and utilisation is an excellent opportunity for the European energy market, in particular, its usage in the Combined Heat, Power, and Chemical Plants, where it is upgraded into a valuable chemical product such as methanol, dimethyl ether (DME), and acetic acid. New, improved, and energy-efficient technologies must be developed to make these processes available and economically feasible. In particular, the knowledge of the direct synthesis of DME from syngas is not complete. The research present in the literature are lacking in the complete plant development of DME production from biogas, passing from a direct synthesis of syngas. The few studies available are incomplete from the point of view of the kinetic implementation, technology selection, optimization of the purification section, and economic feasibility. This thesis investigates an innovative method to produce dimethyl ether from biogas by direct synthesis from syngas. With the support of the Aspen PLUS simulator, the optimal design is researched. The plant presented involves three different sections: biogas reforming to syngas section, CO2 absorption section, DME production and purification section. First, 734 m3/h of biogas are upgraded to syngas thanks to a reformer with NiO-MgO-ZrO2 catalyst. Then, the central CO2 absorption part is implemented for future studies on the effects of syngas’ feed composition on DME yield. In the final part, the syngas is directly converted into DME thanks to a novel CZZ-FER catalyst inside a patented reactor. Separation of the product/s is/are performed via conventional absorption and distillation columns, without the need for refrigeration and maintaining the compression costs of the recycle low. The optimization was mainly conducted on the separation part, not using a formal objective function, but with a sensitivity analysis performed step by step, based on process indicators such as utility consumptions and operative expenditure. Eventually, two different plant configurations are proposed: one producing 5.34 kton/y of DME and 1.26 kton/y of methanol, called Configuration A, and the second producing exclusively 6.21 kton/y of DME, called Configuration B. Relevant care was put into the selection and implementation of the reformer’s kinetic and the direct synthesis of DME’s kinetic. For the reformer, a tri-reforming is selected, allowing a CO2 conversion of 27.3 % and a CH4 conversion of 96.2%. For DME direct synthesis, an innovative catalyst suitable for CO2-rich feed stream is selected, allowing a 60% conversion of it. The process results sustainable, with CO2 emissions of 1.35-1.50 kg for a kg of product, an E-factor of 0.43-0.47, energy intensity of 14.50-15.7 kW for a kg of product, and 38.2-43.2 kg of water consumed per kg of product. The engineering study is then accompanied by a preliminary economic analysis performed on CAPEX and OPEX for eight different scenarios, giving the possibility to assess financial feasibility for the grass-roots plant, revamped plant, or plant with and without the government’s incentive for producing and selling bio-dimethyl ether. The outcome of this work does not always present positive numbers, especially for configurations without government incentives, but great potential. The Net Present Value (NPV) after 25 years for configuration A, considering incentives and a revamped plant, is 10,317 k€, with a pay-back time of 5 years, while for Configuration B, the NPV after 25 years is 11,634 k€, with a pay-back time of just four years.

Il riscaldamento globale è un problema urgente che deve essere affrontato immediatamente per salvare il mondo. L'industria chimica è uno dei settori che maggiormente contribuisce all'inquinamento e a tal proposito dovrebbe essere completamente ri-progettata per porvi rimedio. L'economia circolare e il waste-to-product si stanno diffondendo sempre più. Alla luce di questo approccio, la produzione e l'utilizzo del biogas rappresentano un'eccellente opportunità per il mercato energetico europeo, in particolare per il suo utilizzo negli impianti di Combined, Heat, Power and Chemical, dove viene trasformato in un prodotto chimico prezioso come il metanolo, etere dimetilico (DME) e acido acetico. È necessario sviluppare tecnologie nuove, efficienti dal punto di vista energetico per rendere questi processi realizzabili ed economicamente sostenibili. In particolare, la conoscenza della sintesi diretta di DME da syngas è incompleta. Allo stato attuale in letteratura, mancano design completi di impianti per la produzione di DME da biogas, passando da una sintesi diretta di syngas. I pochi studi presenti sono incompleti dal punto di vista dell'implementazione cinetica, della selezione della tecnologia, dell'ottimizzazione della sezione di separazione e della fattibilità economica. Questa tesi studia un metodo innovativo per produrre etere dimetilico da biogas mediante sintesi diretta da syngas. Con il supporto del simulatore Aspen PLUS, si è ricercato il design ottimale. L'impianto presentato prevede tre diverse sezioni: sezione di reforming del biogas in syngas, sezione di assorbimento di CO2, sezione di produzione e purificazione del DME. Innanzitutto, 734 m3/h di biogas vengono trasformati in syngas grazie a un reformer con catalizzatore NiO-MgO-ZrO2. Quindi, è stata implementata la parte centrale dell'assorbimento di CO2 per studi futuri sull’effetto della composizione del syngas sulla resa di DME. Nella parte finale, il syngas viene convertito direttamente in DME grazie a un nuovo catalizzatore CZZ-FER all'interno di un reattore brevettato. La separazione del/i prodotto/i viene/vengono effettuata tramite tradizionali colonne di assorbimento e distillazione, senza necessità di refrigerazione e mantenendo i costi di ri-compressione del riciclo bassi. L'ottimizzazione è stata condotta principalmente sulla parte di separazione, non utilizzando una funzione formale, ma con un'analisi di sensitività eseguita passo dopo passo, sulla base di indicatori di processo quali consumi di utenze e spese operative. Infine, vengono proposte due diverse configurazioni di impianto: una che produce 5,34 kton/a di DME e 1,26 kton/a di metanolo, denominata Configurazione A, e la seconda che produce esclusivamente 6,21 kton/a di DME, denominata Configurazione B. Particolare attenzione è stata posta nella selezione e nell'implementazione della cinetica del reformer e della cinetica della sintesi diretta del DME. Per il reformer, viene selezionato un tri-reforming, che consente una conversione di CO2 del 27,3% e una conversione di CH4 del 96,2%. Per la sintesi diretta del DME, viene selezionato un catalizzatore innovativo adatto ad alimentazioni ricche di CO2, consentendone una conversione del 60%. Il processo risulta sostenibile, con emissioni di CO2 di 1,35-1,50 kg per kg di prodotto, un E-factor di 0,43-0,47, un'intensità energetica di 14,50-15,7 kW per kg di prodotto e 38,2-43,2 kg di acqua consumata per kg di prodotto. Lo studio ingegneristico è quindi accompagnato da un'analisi economica preliminare eseguita sulla base di CAPEX e OPEX per otto diversi scenari, dando la possibilità di valutare la fattibilità finanziaria per l'impianto di base, l'impianto rinnovato o l'impianto con e senza l'incentivo del governo per la produzione e la vendita bio-dimetil etere. L'esito di questo lavoro non presenta sempre guadagni in positivo, specie per le configurazioni prive di incentivi governativi, ma grandi potenzialità. Per la configurazione A con incentivi e considerando un impianto rinnovato, il Net Present Value (NPV) dopo 25 anni è di 10.317 k€, con un tempo di ritorno dell'investimento di 5 anni, mentre per la Configurazione B, il NPV dopo 25 anni è di 11,634 k€, con un tempo di ritorno dell'investimento di soli quattro anni.