Systematic staging design of fixed bed methanol synthesis reactor

The present thesis work deals with the techno-economical assessment of the reactor network for methanol synthesis and direct dimethyl ether synthesis from the energy-process integration viewpoint. The reactor network is composed by a water-cooled reactor; a gas-cooled reactor used to preheat the syngas fed to the network; a separation section and a recycle loop. This general configuration is often reduced to the study of the sole water-cooled reactor in literature works. Although such reactor is the key-element of the overall system, the other parts of the process cannot be anymore neglected when the techno-economical assessment is the target of reactor design. Therefore, the so-called systematic staging design methodology proposed by Hillestad, 2010 [26] is adopted to redefine the optimal ratio between the different stages of methanol synthesis reactor network. To do so, the phenomenological mathematical model of the overall system is required together with the solution of the resulting set of ordinary differential equations coupled with algebraic constraints and initial and boundary conditions as well. It means that beyond the cumbersome issues of mathematical modeling to properly characterize the heterogeneous reactors for methanol and dimethyl ether synthesis, a boundary value problem has to be solved iteratively within an optimization procedure. According to what has been described, the model is then implemented into a multivariable, nonlinear optimization routine in order to maximize not only the methanol and/or dimethyl ether production but also the steam generation. It is demonstrated that a revision of the traditional design based on the systematic staging design for the integrated optimization of energy and process yield can increase the net operating margin of a medium size methanol synthesis plant by about 2 M€/y.

Il presente lavoro di tesi si occupa della valutazione tecno-economica della rete del reattore di sintesi del metanolo e della sintesi diretta dell’etere dimetilico dal punto di vista dell’integrazione processo-energetica. Questa rete è composta da un reattore raffreddato ad acqua bollente; un reattore raffreddato a gas utilizzato per il preriscaldamento del syngas alimentato alla rete; una sezione di separazione e un ricircolo. Spesso nella letteratura, la suddetta configurazione viene ridotta allo del studio unicamente del reattore raffreddato ad acqua bollente. Sebbene tale reattore sia l’elemento chiave del sistema, le altre parti del processo non possono essere più trascurate quando la valutazione tecno-economica è l'obiettivo della progettazione del reattore. Pertanto, la cosiddetta systematic staging design methodology proposta da Hillestad, 2010 [26] è stata adottata per ridefinire il rapporto ottimo tra i vari stadi della rete del reattore di sintesi di metanolo. Per fare questo, è necessario il modello matematico e fenomenologico del sistema insieme alla soluzione del set di equazioni differenziali ordinarie accoppiate con i vincoli algebrici e le condizioni iniziale e al contorno. Questo vuol dire che, al di là delle complicazioni nella modellazione matematica per caratterizzare correttamente i reattori eterogenei per la sintesi di metanolo e dell’etere dimetilico, un problema di valori al contorno deve essere risolto in modo iterativo all'interno di una procedura di ottimizzazione. D’accordo a quanto è già descritto, il modello viene poi implementato in una procedura di ottimizzazione multidimensionale non lineare, allo scopo di massimizzare non unicamente la produzione metanolo e/o etere dimetilico, ma anche la generazione di vapore. È stato dimostrato che un riesame della progettazione tradizionale basato sul systematic staging design per l'ottimizzazione integrata di energia e rendimento del processo può aumentare il margine operativo lordo di un impianto di sintesi di metanolo di media taglia in circa 2 M€ /anno.