Biogas to dimethyl ether production : dynamic behavior and supply chain strategies

This thesis presents the realization of two simulations, a steady one and a dynamic one, for the indirect production of dimethyl ether via methanol dehydration. The work begins with a brief but well-defined introduction to the environmental challenges that push scientists and researchers to find sustainable alternatives aiming at preserving planet Earth. A general overview of the complete process is then carried out. More specifically, it consists of a full explanation of the indirect DME production starting from Biogas, with a focus on the methanol dehydration reaction, its kinetics, factors affecting it, and its process layout and design. A first steady state simulation is performed using Aspen HYSYS, for five DME processes that all start with a methanol feed but differ in some aspects. The goal was to find the optimal design that will then be dynamically simulated. The ideal process contains an isothermal dehydration reactor that operates at 250°C, a first distillation column to separate the main product, and a second one to recover methanol from the top and recycle it back to the feed. The result was the production of 18,320 ton/y of 99.9% pure dimethyl ether, in a process having a methanol conversion of 89.45%, and that has capital and operating costs of approximately 5,000,000 $ and 1,600,000 $/y. The next chapter consists of a detailed description of the dynamic simulation in DYNSIM, including the layout design, process control, and adopted strategy. It was possible here to achieve a steady state after 11 hours and an almost perfect purity product at a rate equal to 16,800 tons/y. Graphical results are then shown and interpreted, along with a comparison with the principal steady state variables that arose in the two simulation software, and that were found to be coherent. A final section is devoted to the handling of the dimethyl ether, its storage, transportation, and usages, along with a real-life strategy to execute this chain of actions and a simulation in DYNSIM to better visualize it.

Questa tesi presenta la realizzazione di due simulazioni, una stazionaria ed una dinamica, per la produzione indiretta di etere dimetilico attraverso la disidratazione del metanolo. Il lavoro inizia con una breve ma bene definita introduzione alle sfide ambientali che spingono scienziati e ricercatori a trovare alternative sostenibili volte a preservare il pianeta Terra. Viene quindi eseguita una panoramica generale sull'intero processo di produzione DME. In particolare, consiste in una spiegazione completa della produzione indiretta di DME a partire dal Biogas, con un focus principale sulla reazione di disidratazione del metanolo, la sua cinetica, i fattori che la influenzano e il suo layout e la progettazione del processo. Una prima simulazione dello stato stazionario viene eseguita utilizzando Aspen HYSYS, per cinque processi DME che iniziano tutti con un'alimentazione di metanolo, ma differiscono per alcuni aspetti. L'obiettivo era trovare il design ottimale che verrà poi simulato dinamicamente. Il processo ideale contiene un reattore isotermico di disidratazione che opera a 250°C, una prima colonna di distillazione per separare il prodotto principale e una seconda per recuperare il metanolo dall'alto e riciclarlo nuovamente nell'alimentazione. Il risultato è stata la produzione di 18,320 ton/anno di etere dimetilico puro al 99.9%, in un processo con una conversione di metanolo dell'89.45%, e che ha un capitale e costi operativi di circa 5,000,000 $ e 1,600,000 $/anno. Il capitolo successivo consiste in una descrizione dettagliata della simulazione dinamica in DYNSIM, compreso il design del layout, il controllo del processo e la strategia adottata. Qui è stato possibile raggiungere uno stato stazionario dopo 11 ore e un prodotto di purezza ad una capacità produttiva di 16,800 ton/anno. I risultati vengono quindi mostrati e interpretati tramite analisi di dati e grafici, insieme a un confronto con le principali variabili dello stato stazionario emerse nei due software di simulazione; e che risultano piuttosto coerenti tra loro. Un'ultima sezione è dedicata alla gestione dell'etere dimetilico, al suo stoccaggio, trasporto e utilizzo, insieme a una strategia di supply chain, simulata in DYNSIM.