Avaliação técnico-econômica da produção de metanol a baixas temperaturas pela oxidação parcial do metano
Ano de defesa: | 2022 |
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Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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Resumo: | Large volumes of natural gas (NG) are released or flared on oil platforms, emitting mainly methane, carbon monoxide, and carbon dioxide. These greenhouse gases (GHG) represent an environmental and health hazard. In this context, it is of great interest that methane is used as a raw material to obtain marketable and high value-added products, such as methanol. Methanol has a wide variety of applications such as used in the production of plastics or as a vehicular fuel, but there has been no domestic production since 2016. The direct conversion of methane to methanol is advantageous because methane is converted to methanol in a direct pathway without the formation of the intermediate synthesis gas that is obtained by conventional processes, thus reducing energy costs. Thus, this work aims to perform a techno-economic evaluation of the production of methanol from methane by direct catalytic partial oxidation. The simulation of the process of interest was performed in the process simulation software Aspen Plus V11©. The thermodynamic analysis of the partial oxidation process of methane with different oxidants was performed to verify the equilibrium of the reaction system and to evaluate the operational parameters that favor the conversion, the selectivity and the yield of the system. The preliminary economic analysis was based on calculations presented in the literature, to obtain the expected level of magnitude for the CAPEX, the magnitude level being a range of values in which the final CAPEX of the process lies. The production costs of methanol from the partial oxidation of methane for a production scale of 1500 tons/day of methanol in the isothermal process with O2 and CO2 for a conversion degree of 25% and yields of 75 and 80 µmol CH3OH/(g zeolite), respectively, resulted in an economically unfeasible process, where the operating costs (OPEX) were higher than the total sales value of the products. Assuming improved yields found experimentally (adopting 70% degree of conversion and with a yield of 360 µmol CH3OH/(g zeolite)) for the isothermal process with O2 resulted in a CAPEX and OPEX of US$27 million and US$5 million per year respectively, and payback of 5 years. For the isothermal process using carbon dioxide as oxidizing agent resulted in a CAPEX and OPEX of approximately, US$32 million and US$18 million per year respectively, and a payback of 6 years. |
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Methanol has a wide variety of applications such as used in the production of plastics or as a vehicular fuel, but there has been no domestic production since 2016. The direct conversion of methane to methanol is advantageous because methane is converted to methanol in a direct pathway without the formation of the intermediate synthesis gas that is obtained by conventional processes, thus reducing energy costs. Thus, this work aims to perform a techno-economic evaluation of the production of methanol from methane by direct catalytic partial oxidation. The simulation of the process of interest was performed in the process simulation software Aspen Plus V11©. The thermodynamic analysis of the partial oxidation process of methane with different oxidants was performed to verify the equilibrium of the reaction system and to evaluate the operational parameters that favor the conversion, the selectivity and the yield of the system. The preliminary economic analysis was based on calculations presented in the literature, to obtain the expected level of magnitude for the CAPEX, the magnitude level being a range of values in which the final CAPEX of the process lies. The production costs of methanol from the partial oxidation of methane for a production scale of 1500 tons/day of methanol in the isothermal process with O2 and CO2 for a conversion degree of 25% and yields of 75 and 80 µmol CH3OH/(g zeolite), respectively, resulted in an economically unfeasible process, where the operating costs (OPEX) were higher than the total sales value of the products. Assuming improved yields found experimentally (adopting 70% degree of conversion and with a yield of 360 µmol CH3OH/(g zeolite)) for the isothermal process with O2 resulted in a CAPEX and OPEX of US$27 million and US$5 million per year respectively, and payback of 5 years. For the isothermal process using carbon dioxide as oxidizing agent resulted in a CAPEX and OPEX of approximately, US$32 million and US$18 million per year respectively, and a payback of 6 years.Grandes volumes do gás natural (GN) são liberados ou queimados nas plataformas de petróleo, emitindo principalmente o metano, o monóxido de carbono e o dióxido de carbono. Estes gases de efeito estufa (GEE) representam um risco ambiental e à saúde. Nesse contexto, é de grande interesse que o metano seja utilizado como matéria-prima para a obtenção de produtos comercializáveis e de alto valor agregado, como o metanol. O metanol tem uma ampla variedade de aplicações como a utilização na produção de plásticos ou como combustível veicular, porém não há produção nacional desde 2016. A conversão direta do metano a metanol mostra-se vantajosa, pois o metano é convertido a metanol em um caminho direto sem a formação do intermediário gás de síntese que é obtido por processos convencionais, reduzindo-se, portanto, os custos energéticos. Desse modo, este trabalho tem como objetivo realizar a avaliação técnico-econômica da produção de metanol a partir do metano pela oxidação parcial catalítica direta. A simulação do processo de interesse foi realizada no software de simulação de processos Aspen Plus V11©. Foi realizada a análise termodinâmica do processo de interesse de oxidação parcial do metano com diferentes oxidantes com o objetivo de se verificar o equilíbrio do sistema reacional e avaliou-se os parâmetros operacionais que favorecem a conversão, a seletividade e o rendimento do sistema. A análise econômica preliminar foi feita com base nos cálculos apresentados na literatura, de modo a se obter o nível de grandeza esperado para o CAPEX, sendo o nível de grandeza uma faixa de valores no qual o CAPEX fonal do processo se encontra. Os custos de produção do metanol a partir da oxidação parcial do metano para uma escala de produção de 1500 toneladas/dia de metanol no processo isotérmico com o O2 e com o CO2 para um grau de conversão de 25% e rendimento de 75 e 80 µmol CH3OH/(g zeólita), respectivamente, resultou em um processo economicamente inviável, onde os custos operacionais (OPEX) foram maiores que o valor total de venda dos produtos. Supondo-se uma melhoria nos rendimentos encontrados experimentalmente (adotando-se grau de conversão de 70% e com um rendimento de 360 µmol CH3OH/(g zeolita)) para o processo isotérmico com o O2 resultou em um CAPEX e OPEX de US$27 milhões e US$5 milhões por ano respectivamente, e payback de 5 anos.Para o processo isotérmico utilizando o gás carbônico como agente oxidante obteve-se um CAPEX e OPEX de aproximadamente, US$32 milhões e US$18 milhões por ano respectivamente, e payback de 6 anos.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)2018/01258-588887.485741/2020-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMetanolMetanoOxigênioCO2TermodinâmicaCAPEX-OPEXMethanolMethaneOxygenThermodynamicsENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAAvaliação técnico-econômica da produção de metanol a baixas temperaturas pela oxidação parcial do metanoTechno-economic evaluation of low temperature methanol production by partial oxidation of methaneinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALVictor_Sumikawa_Dissertação_Mestrado_VFINALBCO.pdfVictor_Sumikawa_Dissertação_Mestrado_VFINALBCO.pdfapplication/pdf3412618https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15924/4/Victor_Sumikawa_Disserta%c3%a7%c3%a3o_Mestrado_VFINALBCO.pdf64d682628e64821e7df6f7c75634ffa8MD54Carta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdfCarta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdfapplication/pdf120443https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15924/2/Carta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdfdaef4dd8556920eb6c9261d759bb517dMD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15924/5/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD55TEXTVictor_Sumikawa_Dissertação_Mestrado_VFINALBCO.pdf.txtVictor_Sumikawa_Dissertação_Mestrado_VFINALBCO.pdf.txtExtracted texttext/plain156648https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15924/6/Victor_Sumikawa_Disserta%c3%a7%c3%a3o_Mestrado_VFINALBCO.pdf.txt8cf4064f7fac030cc5cd6a92df83610dMD56Carta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdf.txtCarta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdf.txtExtracted texttext/plain1482https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15924/8/Carta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdf.txt57a71a507c11c03dba597ab1be524b5cMD58THUMBNAILVictor_Sumikawa_Dissertação_Mestrado_VFINALBCO.pdf.jpgVictor_Sumikawa_Dissertação_Mestrado_VFINALBCO.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6426https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15924/7/Victor_Sumikawa_Disserta%c3%a7%c3%a3o_Mestrado_VFINALBCO.pdf.jpgdc3fba68414e85eea0322431c58be6cdMD57Carta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdf.jpgCarta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10880https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15924/9/Carta_Comprovante_Versao_Final_MS-Victor-Sumikawa_assinado.pdf.jpge944b1d9e06db14fe5cab05dbb6463beMD59ufscar/159242022-04-27 03:37:07.841oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/15924Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-05-25T13:03:27.329029Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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