Techno-economic assessment of replacing cracker furnaces with methanol-to-olefins technology

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2023-06-13

Department

Major/Subject

Chemical and Process Engineering

Mcode

CHEM3043

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

68+6

Series

Abstract

Olefins, ethylene and propylene, are typically produced in a steam cracking process from fossil-based feedstock, which produces a lot of carbon emissions. In a battle against climate change, more carbon-neutral solutions and sustainable feedstock are pursued. Methanol-to-olefins (MTO) is an industrially proven technology, where methanol is converted to olefins in a fluidized-bed reactor in the presence of a SAPO-34 catalyst. The methanol used as a feedstock needs to be sustainable bio-methanol or e-methanol from carbon capture, to achieve net emission benefit. The MTO technology was proposed and analysed to replace some of the conventional steam cracking furnaces to mitigate the large carbon emissions and to replace the conventional fossil-based feedstock with sustainable methanol. The MTO unit integrated into the existing cracker would achieve major synergy benefits in downstream processing. MTO unit for a base case of 700 kt/a methanol feed was designed and simulated using the Aspen Plus™ simulation tool. A majority, 56 wt.% of the reactor product is water that is needed to separate from the product with quenching. Since the methanol conversion is not complete, leftover methanol and by-product DME is extracted with additional absorption columns. A total yield of 16.35 wt.% for ethylene and 16.32 for propylene is achieved. The product hydro-carbons are further purified in the existing cracker separation and conditioning sections. The catalyst in the MTO reactor is affected by coking. To maintain its activity, the coke on the catalyst surface is continuously combusted in the regenerator. The direct greenhouse gas (GHG) emission from the MTO process is 0.09 kg of emission/kg of olefins. The net emission is seven times lower than what is emitted in naphtha cracking. When using methanol feedstock derived from direct air-captured CO2 the net emission falls negative and the olefins produced can act as a carbon sink. The biggest impact on the MTO process cost of production comes from the sustainable methanol feedstock cost. To achieve 24 years of payback time and feasibility for the project, feedstock cost should decrease to 288 €/t or for the current bio-methanol cost range, a price premium of 638 €/t should be added to olefin products.

Olefiineja, eteeniä ja propeenia, valmistetaan perinteisesti fossiilisista raaka-aineista höyrykrakkausprosessilla, joka tuottaa paljon hiilidioksidipäästöjä. Vaihtoehtoisten, hiilineutraalien valmistusprosessien löytäminen sekä uusiutuvien ja kestävän kehityksen mukaisten raaka-aineiden hyödyntäminen ovat keskiössä ilmastonmuutoksen torjumisessa. Metanolista olefiineiksi (MTO) -teknologia on teollisessa mittakaavassa todistettu teknologia, jolla voidaan tuottaa olefiineja SAPO-34-katalyytin ajamana leijupetireaktorissa. Prosessiin täytyy käyttää raaka-aineena biometanolia tai talteenotetusta hiilidioksidista valmistettua e-metanolia, jotta teknologian tuoma etu nettopäästöihin toteutuisi. Opinnäytetyössä MTO-teknologiaa tutkittiin korvaamaan osittain krakkeriuunien tuottamaa eteeniä ja propeenia. Vähäpäästöisempi ja uusiutuvaa raaka-ainetta käyttävä MTO-prosessi tulisi yhdistää olemassa olevalle tuotantolaitokselle, jotta prosessi voisi hyötyä krakkeriuunien käyttämästä erotusprosessista ja muista synergiaeduista. Tutkimuksen perustapaukseksi valittiin 700 kilotonnia metanolisyöttöä käsittelevä prosessiyksikkö, joka suunniteltiin ja simuloitiin käyttämällä Aspen Plus™ -ohjelmistoa. Reaktiotuote sisältää suurimmaksi osaksi (56 m-%) vettä, joka erotetaan tuotteesta jäähdytyskolonneissa. Reagoimaton metanoli ja välituote DME erotetaan ylimääräisissä absorptiokolonneissa. Prosessin lopullinen saanto-% etaanille on 16.35 m-% ja propeenille 16.32 m-%. Näin syntyvä tuotevirta sopii ohjattavaksi krakkerin kuuma- ja kylmäosassa tapahtuvaan lisäpuhdistukseen ja erotukseen. Prosessissa syntyy hiilidioksidipäästöjä, kun koksautunut katalyytti regeneroidaan. Suora kasvihuonekaasupäästö prosessille on 0.09 kg päästöjä/kg olefiineja, joka on seitsemäsosa krakkauksessa syntyvistä päästöistä. Jos prosessiin käytettävä metanoli on valmistettu suoraan ilmasta kaapatusta hiilidioksidista, nettopäästöt ovat negatiiviset ja olefiinit toimivat hiilinieluina. Suurin vaikutus prosessin taloudelliseen kannattavuuteen on metanolin hinnalla. Jotta 24 vuoden takaisinmaksuaika projektille saavutettaisiin, täytyisi raaka-aineen hinta olla 288 €/t. Vaihtoehtoisesti, jos kannattavuusarvioinnissa käytetään arviota biometanolin hinnasta, bio-olefiineille tulisi asettaa 638 €/t hintapreemio kannattavuuden saavuttamiseksi.

Description

Supervisor

Oinas, Pekka

Thesis advisor

Savallampi, Ismo

Keywords

methanol-to-olefins, ethylene, propylene, economic analysis, carbon emissions

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202306184111

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM