Thesis:

Optimización de condiciones de operación para la producción de metanol por hidrogenación catalítica de CO2

La producción de metanol a partir de H2 verde y CO2 capturado está cobrando cada vez más importancia como vía estratégica de descarbonización, pero su elevado costo de producción, asociado principalmente al precio del H2 verde, actualmente limita su competitividad frente al metanol de origen fósil. Este estudio plantea como pregunta de investigación si existe algún punto óptimo de operación del reactor a alta presión que permita minimizar los costos de producción de metanol verde. Para resolver esta interrogante se desarrolla un análisis técnico - económico cuyo objetivo es minimizar el costo nivelado de metanol verde mediante la manipulación de variables de proceso como la presión, composición de alimentación y flujo de entrada. Las simulaciones se realizan en el Software Aspen Plus V.14. En una primera etapa se valida el reactor de equilibrio y los modelos cinéticos propuestos por Bussche and Froment (1996) y Graaf et al. (1988) para el reactor de síntesis utilizando condiciones operacionales reportados en la literatura con el fin de asegurar la comparabilidad de los resultados de los modelos. Posteriormente, se realiza la simulación de la planta utilizando un reactor de equilibrio con un estudio paramétrico que considera la variación de las presiones entre 100 y 340 bar, razones de alimentación CO2:H2 de 1:3 y 1:10 y flujo alimentación al reactor de 1 y 10 ton/h, manteniendo fija la temperatura del reactor en 260°C. Según los resultados, la conversión, selectividad y rendimiento aumentan a medida que se incrementa la presión y existe un exceso de H2, siendo el caso más favorable el de 340 bar y una razón CO2:H2 = 1:10. Desde el punto de vista energético, el servicio que necesita mayor potencia corresponde al consumo del enfriamiento en los intercambiadores de calor. Por otro lado, del punto de vista ambiental todos los resultados obtenidos presentan emisiones netas negativas de CO2, lo que confirma el potencial del proceso como alternativa de descarbonización. Ahora bien, según el análisis económico, se observa que tanto el CAPEX como el OPEX aumentan con el incremento de la presión de operación en el reactor. Si bien el costo de los equipos es el parámetro más influyente del CAPEX, el OPEX domina el costo nivelado del metanol, siendo el H2 verde el principal contribuyente, seguido por el costo del CO2 capturado. El menor costo nivelado que se alcanza es de 1.052 USD/kg de metanol (55.78 USD/MBTU), con una presión de operación en el reactor de 100 bar, una razón de composición de alimentación de CO2:H2 = 1:10 y un flujo de 10 ton/h, considerando un precio del H2 verde de 3 USD/kg, mientras que el precio de 200 USD/ton para el CO2 capturado desde fuentes industriales. Si bien este valor es aproximadamente 130% mayor al costo del metanol fósil (0.32 USD/kg), el análisis de sensibilidad muestra una fuerte dependencia del precio del H2 verde. En un escenario optimista que considera los precios de 1.5 USD/kg para el H2 verde y 100 USD/ton para el CO2 capturado, el costo disminuye aproximadamente un 41%, mientras que en un escenario pesimista con precios de 4.5 USD/kg y 300 USD/ton, aumenta cerca de un 42%, lo que evidencia los desafíos económicos asociados.

The production of methanol from green hydrogen and captured carbon dioxide is gaining increasing importance as a strategic decarbonization pathway, but its high production cost, primarily associated with the price of green hydrogen, currently limits its competitiveness compared to fossil-based methanol. This study poses the research question of whether there is an optimal operating point for the high-pressure reactor that minimizes the production costs of green methanol. To answer this question, a techno-economic analysis is developed with the objective of minimizing the levelized cost of green methanol by manipulating process variables such as pressure, feed composition, and inlet flow rate. Simulations are performed using Aspen Plus V.14 software. In the first stage, the equilibrium reactor and the kinetic models proposed by Bussche and Froment (1996) and Graaf et al. (1988) for the synthesis reactor are validated using operational conditions reported in the literature to ensure the comparability of the model results. Subsequently, the plant was simulated using a equilibrium reactor with a parametric study that considered pressure variations between 100 and 340 bar, CO2:H2 feed ratios of 1:3 and 1:10, and reactor feed flow rates of 1 and 10 tons/hour, while maintaining a constant reactor temperature of 260°C. According to the results, conversion, selectivity, and yield increase as pressure increases and there is an excess of H2, with the most favorable case being 340 bar and a CO2:H2 ratio of 1:10. From an energy perspective, the service requiring the most power is the cooling consumption in the heat exchangers. On the other hand, from an environmental perspective, all the results obtained show negative net CO2 emissions, confirming the process's potential as a decarbonization alternative. However, according to the economic analysis, both CAPEX and OPEX increase with the increase in reactor operating pressure. While equipment cost is the most influential parameter in CAPEX, OPEX dominates the levelized cost of methanol, with green H2 being the main contributor, followed by the cost of captured CO2. The lowest levelized cost achieved is USD 1,052/kg of methanol (USD 55.78/MBTU), with a reactor operating pressure of 100 bar, a CO2:H2 feed ratio of 1:10, and a flow rate of 10 tons/hour, considering a green H2 price of USD 3/kg and a price of USD 200/ton for CO2 captured from industrial sources. Although this value is approximately 130% higher than the cost of fossil methanol (USD 0.32/kg), sensitivity analysis shows a strong dependence on the green H2 price. In an optimistic scenario considering prices of 1.5 USD/kg for green H2 and 100 USD/ton for captured CO2, the cost decreases by approximately 41%, while in a pessimistic scenario with prices of 4.5 USD/kg and 300 USD/ton, it increases by about 42%, highlighting the associated economic challenges.