Compact process design for plastic waste conversion to acetic acid: techno-economic assessment

Converting end-of-life materials into high-quality chemicals is an intriguing aspect that can help Europe achieve its sustainability and circularity targets. The project concerns the design of an intensified chemical plant configuration focused on the transformation of plastic waste into methanol and acetic acid. In the current study, the main aspects analyzed, in order to develop the process, are: the study of the pre-existing processes from literature; the simulation of different plants configurations, using Aspen HYSYS v11; a preliminary techno-economic analysis, to assess the strength weakness opportunities and threats (S.W.O.T.) of the plant. The plant is composed of three main sections: gasification, simulated through thermodynamic analysis and validate by literature results, where plastic waste is converted into syngas (mainly composed of carbon monoxide and hydrogen) that has to be purified; acetic acid production via CativaTM process where carbon monoxide, contained in the syngas, is consumed to produce acetic acid; methanol synthesis through low pressure process where conditioned syngas is converted into methanol, which is required for the acetic acid production. The most innovative and remarkable feature of this new technology is the possibility to adopt acetic acid carbonylation reaction as a carbon monoxide shifter to obtain conditioned syngas, which is necessary to have good yields in the methanol synthesis loop. The analysis done includes the simulation and the comparison of two different plant configurations, due to the different operating conditions adopted inside the gasification chamber. The techno-economic analysis shows that the best configuration, from an economic point of view, is the one where gasification is operated at high pressure and with oxygen and high pressure steam as gasifying agents, because it is possible to maximize the production of acetic acid, the most market valuable species, starting from a syngas that requires a lower number of treatments before it is sent to the acetic acid section.

La conversione di rifiuti in prodotti chimici di alta qualità è un aspetto interessante che può aiutare l'Europa a raggiungere gli obiettivi di sostenibilità e circolarità prefissati. Il progetto riguarda il design di una configurazione di impianto chimico intensificato incentrato sulla trasformazione dei rifiuti plastici in metanolo e acido acetico. Nel seguente studio, i principali aspetti affrontati, al fine di arrivare alla progettazione del processo, sono stati: lo studio dei processi preesistenti in letteratura; la simulazione di diverse configurazioni impiantistiche, utilizzando Aspen HYSYS v11; un'analisi tecno-economica preliminare per evidenziare i punti di forza, le debolezze e le opportunità (S.W.O.T.) dell'impianto. L'impianto è composto da tre sezioni principali: gassificazione, simulata attraverso analisi termodinamica e convalidata da risultati presenti in letteratura, in cui le plastiche vengono trasformate in gas di sintesi (principalmente composto da monossido di carbonio e idrogeno) che deve essere purificato; produzione di acido acetico attraverso il processo CativaTM in cui il monossido di carbonio, contenuto nel gas di sintesi, viene consumato per produrre acido acetico; sintesi di metanolo attraverso il processo a bassa pressione in cui il gas di sintesi condizionato viene trasformato in metanolo che è necessario per la produzione dell'acido acetico. La caratteristica più innovativa e degna di nota di questa nuova tecnologia è la possibilità di adottare la reazione di carbonilazione del metanolo per la produzione dell'acido acetico come shifter del monossido di carbonio per ottenere gas di sintesi di qualità, necessario per avere buone rese nella sintesi del metanolo. L'analisi svolta comprende la simulazione e il confronto di due diverse configurazioni di impianto, dovute alle differenti condizioni operative adottate nella camera di gassificazione. A valle dell'analisi tecno-economica, la configurazione migliore dal punto di vista economico è quella in cui la gassificazione viene condotta ad alta pressione con ossigeno e vapore ad alta pressione come agenti gassificanti, perchè si riesce a massimizzare la produzione di acido acetico, il prodotto a più alto valore aggiunto, a partire da un gas di sintesi che richiede minori trattamenti prima di essere inviato alla sezione dell'acido acetico.