RECS : thermodynamic modelling of DME direct synthesis from biogas in a novel reactor technology

Climate change is challenging the energy and chemical industries, the main contributors to global warming due to greenhouse gas emissions, to find alternative ways that comply with the expected global energetic demands and the emission reduction targets that aim to limit the global temperature increment within the next few decades. In this context, innovation in bioenergy emerges as a significant player for the required progress. Biogas is a well-established technology for renewable energy generation and organic residue valorization that has been rapidly evolving due to the great emphasis on renewable energy sources. It used to be extensively adopted for Combined Heat and Power plants (CHP) but nowadays it is regarded as a raw material for chemicals because it allows carbon fixation in a stable chemical molecule avoiding the release of CO2, the most problematic greenhouse gas, into the atmosphere. This is the idea at the basis of Combined Heat, Power and Chemical plants (CHPC) that upgrade biogas and produce value-added products such as methanol and other important building blocks in the chemical industry. This thesis work intends to investigate the biogas adoption in the direct synthesis of dimethyl ether, an interesting derivative of methanol with intriguing properties that make a clean fuel of it. As a matter of fact, bio-DME is a promising advanced biofuel that intends to favor the disposal of conventional diesel fuels. The literature, however, is lacking in terms of works centered on this one-step process which is not fully examined. This work is focused on the thermodynamic modelling of the system owing to its non-ideality that may otherwise result hard to faithfully predict: indeed, a new set of binary interaction parameters for activity coefficient models is proposed and compared to the values retrieved from Aspen Plus databanks. The good predictive potential of the suggested parameters results superior to the one by the process simulation tool. The work shows the modelling of a peculiar process layout that utilizes a novel reactor technology and analyzes its performance according to key performance indicators. A technical sensitivity analysis is performed to assess the impact of important process variables on the productivity and sustainability of the process: the plant is capable of producing up to 312.55 kg/h of dimethyl ether starting from 551.77 kg/h of biogas feedstock, with 60% of DME selectivity versus methanol, over 97% of CO conversion and 59.07% of CO2 conversion. Finally, the proposed reactor configuration is compared to a conventional solution and its competitive advantage is highlighted.

Il cambiamento climatico ha lanciato ormai una sfida all’industria chimica ed energetica, i contribuenti principali al riscaldamento globale dovuto a emissioni di gas serra, per trovare vie alternative che rispettino la richiesta energetica globale prevista e che si attengano all’obiettivo di riduzione di emissioni che ha il proposito di limitare l’innalzamento della temperatura globale entro le prossime decine di anni. In questo contesto, l’innovazione nella bio-energia emerge come uno strumento significativo al raggiungimento del progresso richiesto. Il biogas è una tecnologia ben consolidata per la generazione di energia rinnovabile e per la valorizzazione dei residui organici e sta rapidamente evolvendo a causa della grande enfasi posta sull’utilizzo di risorse di energia non fossile. Era largamente adottato per la produzione di energia termica e potenza nei cosiddetti impianti Combined Heat and Power (CHP), tuttavia al giorno d’oggi il biogas è visto anche come una materia prima per la produzione di prodotti chimici perché permette il riutilizzo e la fissazione del carbonio in molecole chimiche stabili evitando quindi il rilascio in atmosfera di anidride carbonica, il gas serra più problematico. Questa è l’idea alla base degli impianti Combined Heat, Power and Chemical (CHPC) che effettuano l’upgrading del biogas producendo chemicals dall’alto valore aggiunto quali il metanolo e altri importanti mattoni dell’industria chimica. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di indagare l’adozione del biogas nella sintesi diretta di etere dimetilico, un interessante derivante del metanolo le cui proprietà attraenti ne fanno un carburante pulito. Infatti, il bio-DME è un promettente bio-fuel avanzato che intende favorire la sostituzione dei carburanti diesel convenzionali. Tuttavia, in letteratura c’è una scarsità di lavori concentrati su questo processo a singolo stadio che dunque non è completamente esaminato. Questo lavoro di tesi è focalizzato sulla modellazione termodinamica del sistema, vista la sua non idealità che altrimenti renderebbe difficile una fedele rappresentazione del suo comportamento volumetrico: un nuovo set di parametri di interazione binaria per modelli di coefficienti di attività è proposto e messo a confronto con i corrispondenti valori recuperati dalle banche dati di Aspen Plus. Il potere predittivo dei parametri suggeriti risulta superiore a quello del simulatore di processo. Si intende presentare la modellazione di un peculiare layout di processo che utilizza una nuova tecnologia di reattore e che analizza le sue prestazioni mediante indicatori di prestazione chiave. Un’analisi sensitiva è effettuata al fine di valutare l’impatto di importanti variabili di processo sulla produttività e sulla sostenibilità del processo: l’impianto è in grado di produrre fino a 312.55 kg/h di bio-dimetil etere a partire da 551.77 kg/h di biogas, con il 60% di selettività verso il DME rispetto al metanolo, oltre il 97% di conversione di monossido di carbonio contro il 59.07% di conversione di anidride carbonica. Infine, la configurazione di reattore presentata è confrontata con un’alternativa convenzionale ed i suoi vantaggi vengono così messi in risalto.