Techno-economic comparison between dimethyl-ether and methanol synthesis processes

The proposed M.Sc. thesis work investigates the more profitable way to exploit a syngas stream produced from renewable sources, which is a very important topic considering the urgent climate crisis. The chemical industry is one of the main contributors of the greenhouse emissions and needs to be redesigned including concepts like the circular economy and the waste-to-product. The first alternative analyzed is methanol production and direct sale; the second possibility consist, instead, in the production of methanol and successive use within the plant to produce a more valuable chemical: dimethyl-ether (DME). The engineering study conducted throughout steady-state simulations implemented on Aspen HYSYS, is then accompanied by an economic assessment of these two process alternatives, in order to determine which is the best economic choice. Biogas has been assumed as feedstock to produce syngas. Dimethyl-ether is produced in a two-steps process: methanol production from syngas then followed by methanol dehydration. Therefore, the first part of the DME plant is equal to the methanol plant, followed by a section for the methanol conversion to dimethyl-ether and successive purification. Refitted Graaf kinetics set was used for methanol synthesis on CZA catalyst and Bercic and Levec kinetics was studied for methanol dehydration on γ-alumina. In order to be more comprehensive, the design of the cold and hot utility sections is also performed and included in the following economic appraisal. This work aims to determine if it is more convenient for small scale plants that can’t exploit economy of scale to manufacture commodities such as methanol or higher value goods like DME that however require bigger investments. Results of simulations confirmed what was expected: since few additional units and utilities are required to convert methanol into DME, the higher costs are completely paid off by the higher revenues. Considering the same amount of syngas used in the plant, the addition of the dimethyl-ether module to the methanol plant increased the net present value by more than three times after ten years. Other analyses are conducted in order to understand how the profitability of the two plant alternatives changed according to variation in: size of the plant, cost of the investment, production expenses, production volume and selling price. An analysis on the plant in different markets is also executed. The outcomes of these additional comparisons have not impacted enough the result to affect the more profitability of the dimethyl-ether over the methanol plant.

La seguente tesi indaga il modo più redditizio per sfruttare un flusso di syngas prodotto da fonti rinnovabili, un argomento molto importante considerata l'urgente crisi climatica. L'industria chimica è uno dei principali settori che contribuisce alle emissioni di gas serra e dovrebbe essere riprogettata tenendo conto di concetti come l'economia circolare e il waste-to-product. La prima alternativa analizzata è la produzione di metanolo e la conseguente vendita diretta; la seconda possibilità consiste, invece, nella produzione di metanolo e nel suo successivo utilizzo all'interno dell'impianto per produrre un composto chimico di maggior valore: il dimetiletere (DME). Lo studio ingegneristico condotto attraverso simulazioni dello stato stazionario, implementate su Aspen HYSYS, è successivamente accompagnato da una valutazione economica di queste due alternative di processo, al fine di determinare quale sia la migliore scelta da un punto di vista economico. Come materia prima per la produzione di syngas è stato considerato il biogas. Il dimetiletere viene prodotto in un processo in due fasi: prima avviene la produzione di metanolo dal syngas e in seguito la disidratazione del metanolo. Pertanto, la prima parte dell'impianto di DME è identico all'impianto del metanolo, dal quale segue una sezione per la conversione del metanolo a dimetiletere e la sua successiva purificazione. Per la sintesi del metanolo su un catalizzatore CZA è stata utilizzata una versione modificata della cinetica proposta da Graaf, mentre per la disidratazione del metanolo su γ-allumina è stata studiata la cinetica proposta da Bercic e Levec. Per completezza è stata anche eseguita la progettazione delle sezioni di utenza, sia fredda che calda, che viene inserita, quindi, anche nella seguente analisi economica. Questo lavoro mira a determinare se sia più conveniente, per impianti di piccola taglia che non possono sfruttare l'economia di scala, produrre metanolo o un composto di valore superiore come il DME, che tuttavia richiede maggiori investimenti. I risultati delle simulazioni hanno confermato quanto previsto: poiché sono necessarie poche unità e utenze aggiuntive per convertire il metanolo in DME, i maggiori costi sono completamente ripagati dai maggiori ricavi. A parità di syngas utilizzato nell'impianto, l'aggiunta del modulo del dimetiletere all'impianto del metanolo ha più che triplicato il suo valore attuale netto dopo dieci anni. Altre analisi sono state condotte per comprendere come la redditività delle due alternative impiantistiche cambi al variare di: dimensione dell'impianto, costo dell'investimento, spese di produzione, volume di produzione e prezzo di vendita. È stata eseguita anche un'analisi sull'impianto in diversi mercati. Gli esiti di questi ulteriori confronti non hanno impattato abbastanza i risultati da compromettere la maggiore redditività dell'impianto del dimetiletere rispetto all'impianto del metanolo.