Techno-economic comparative analysis of methanol production via CO₂ hydrogenation using different kinetic models

Abstract

A síntese de metanol a partir da hidrogenação do dióxido de carbono está encontrando aplicações em diversas indústrias. Muitos estudos sobre a síntese de metanol têm sido desenvolvidos com o objetivo de melhorar a adequação ambiental, focando na redução do dióxido de carbono. No entanto, estudos nesta área frequentemente dependem de modelos cinéticos baseados em dados de catalisadores ou resultados experimentais. No caso de estudos técnico-econômicos, o escopo geralmente não inclui uma investigação dos modelos cinéticos. Além disso, são limitados os estudos que comparam a analise técnico-econômicos dos modelos cinéticos. O principal objetivo deste estudo foi realizar uma análise técnico-econômica da produção de metanol a partir da hidrogenação de CO₂ utilizando diferentes modelos cinéticos. O projeto de síntese de metanol foi conduzido no Aspen HYSYS V11, empregando a equação do estado de Peng-Robinson, e os modos cinéticos VBF, Ref-Graaf, Graaf e Nestler em um reator de fluxo tubular. A integração térmica e a análise econômica também foram realizadas utilizando o Aspen Energy Analyzer e o Aspen Economic Evaluation. Os diferentes desempenhos na conversão de CO₂ estão relacionados a parâmetros termodinâmicos. Notavelmente, o modelo cinético de Nestler apresentou a maior conversão de carbono total (76,71%), alta seletividade para metanol (55,81%) e 609,09 MW de calor recuperável, em comparação com o modelo Ref-Graaf. Tanto os modelos Nestler quanto Ref-Graaf mostraram-se viáveis do ponto de vista técnico-econômico, excluindo os custos de hidrogênio, com valores de LCMeOH de 308,34 M$/ano para Nestler e 449,54 M$/ano para Ref-Graaf. Para o modelo de Nestler, o custo da corrente de hidrogênio contribuiu com 24,30% do OPEX total, enquanto, para Ref-Graaf, o custo do hidrogênio representou 45,4% do OPEX total. Ao comparar o OPEX anual e o LCMeOH da planta de metanol desenvolvida usando diferentes modelos cineticos, com e sem a corrente de hidrogênio, observou-se que a corrente de hidrogênio impacta significativamente tanto o LCMeOH quanto o OPEX. Os modelos Ref-Graaf e Nestler, sendo os modelos cinéticos mais recentes, demonstram potencial para uma produção sustentável de metanol no futuro, devido ao seu alto rendimento de metanol, seletividade e viabilidade econômica.