Methanol production via CO2 hydrogenation

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-12-10
Department
Major/Subject
Mcode
ENG21
Degree programme
Master's Programme in Energy Technology (EEN)
Language
en
Pages
51 + 18
Series
Abstract
Renewable and sustainable solutions in energy and transportation sector are under vast research and development to mitigate anthropogenic emissions and climate change. Alternative fuels to replace the conventional fossil fuel –based ones play an essential role to reduce the environmental impact in transportation. Methanol production based on renewable energy provides an interesting option in sustainable fuel production industry. In addition, methanol is extensively applied as a base component in chemical industry. The first part of this thesis provides a literature review on pathways and equipment in methanol production. The second part focuses on a simulation of a methanol production process modelled in Aspen Plus software. A complete process configuration from CO2 extraction from ambient air and hydrogen production by water electrolysis to methanol synthesis via CO2 hydrogenation is included in the model. The results are analyzed focusing on viewpoints on material and energy consumption and process optimization. The material and energy requirements in the considered scale (170 000 t of methanol per year) are substantially large especially if considering renewable energy sources exclusively. However, optimization of the processed streams could largely reduce the material consumption. A major share of the electricity consumption is induced by the hydrogen production step. Thus, (at least partial) hydrogen feedstock and/or electricity from other sources is suggested. Heat integration of the plant is investigated applying Aspen Energy Analyzer. The heating requirements of the entire process could be fulfilled with optimized heat integration and purge combustion in the synthesis/distillation step. However, the large amount of purges result in a relatively low carbon conversion rate (76,7 %). In general, the plant performance seems to be reasonable considering key values in efficiency (energy efficiency on LHV basis is 43,1 % and on HHV basis 50,0 %).

Uusiutuvat ja kestävät ratkaisut ovat energiantuotanto- ja liikennesektorilla laaja-alaisen tutkimus- ja kehitystyön kohteena ihmisperäisten päästöjen ja ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Vaihtoehtoiset polttoaineet perinteisten fossiilisten polttoaineiden korvaamiseksi ovat olennaisessa asemassa liikenteen ympäristövaikutusten vähentämiseksi. Metanolin tuotanto uusiutuvan energian avulla on mielenkiintoinen ala kestävässä polttoaineteollisuudessa. Lisäksi metanolia hyödynnetään laajalti peruskemikaalina kemian tekniikassa. Työn ensimmäinen osa sisältää kirjallisuuskatsauksen metanolin tuotannossa käytetyistä menetelmistä ja laitteistoista. Toinen osa keskittyy Aspen Plus –ohjelmistolla tehtyyn simulaatioon metanolin tuotannosta. Malli sisältää koko prosessiketjun hiilidioksidin talteenotosta ilmasta ja vedyntuotannosta vesielektrolyysin avulla synteesiin hiilidioksidin hydrauksella. Tulosten analysointi keskittyy näkökulmiin materiaalien ja energian kulutuksesta, sekä prosessioptimoinnista. Prosessin materiaali- ja energiavaatimukset ovat huomattavia valitussa skaalassa (170 000 tonnia metanolia vuodessa) mikäli tarvittava energia olisi uusiutuvin keinoin tuotettua. Käytettyjen materiaalivirtojen optimointi kuitenkin pienentää suuressa määrin raaka-aineiden kulutusta. Selkeästi suurin osa sähköntarpeesta on peräisin vedyntuotantovaiheesta. Täten (ainakin osittainen) muualta saatu vety- ja/tai sähkövirta olisi suositeltua. Prosessin lämmönsiirtoverkon optimointia tutkittiin Aspen Energy Analyzer –työkalun avulla. Koko prosessin lämmöntarve pystytään täyttämään optimoidun lämmönsiirtoverkon ja synteesi-/tislausvaiheen ylijäämien polton avulla. Suuri ylijäämävirta kuitenkin johtaa suhteellisen alhaiseen prosessin hiilen konversioarvoon (76,7 %). Yleisesti ottaen prosessin tehokkuuden avainluvut ovat hyväksyttäviä (energiatehokkuus alemman lämpöarvon perusteella 43,1 % ja ylemmän lämpöarvon perusteella 50,0 %).
Description
Supervisor
Larmi, Martti
Thesis advisor
Magdeldin, Mohamed
Keywords
methanol, CO2 hydrogenation, CO2 capture from ambient air, water electrolysis, Aspen, simulation
Other note
Citation