Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4004
Main Title: Ethylene production by oxidative coupling of methane
Subtitle: New process fow diagram based on adsorptive separation
Translated Title: Ethylenherstellung durch oxidative Kupplung von Methan
Translated Subtitle: neues Fließschema mit adsorptiver Trennung
Author(s): Nghiem, Xuan Son
Advisor(s): Wozny, Günter
Referee(s): Wozny, Günter
Repke, Jens-Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Äthylen ist die am meisten produzierte Petrochemie mit ungefähr 140 Millionen Tonnen Jahresproduktion und fast 300 Millionen Tonnen jährlich Kohlendioxid-Emissionen. In den letzten Jahren hat der Rekordpreis von Rohöl – die Herkunft von mehr als 50 % Äthen weltweit ist Naphtha basierend – die Hersteller wie zum Beispiel die in Europa in eine sehr schwierigen Lage gesetzt. Inzwischen werden jedes Jahr 150 Milliarden Kubikmeter Methan wegen Transportschwierigkeiten abgefackelt oder abgelassen und etwa 400 Millionen Tonnen Kohlendioxid emittieren. In dieser Situation scheint Oxydative Kupplung von Methan (OCM), die Reaktion die Methan in Äthylen direkt umwandelt, eine nachhaltige Lösung des kurzfristigen hohen Ölpreises und der langfristige Erhaltung der Umwelt zu sein. Leider ist der OCM Prozess im derzeitigen Stand der Technik noch unzureichend für die industrielle Anwendung. Die meisten Untersuchungen zu diesem Thema haben sich auf die Verbesserung des OCM Reaktors, der zwar ein wichtiger aber nicht alleinbestimmender Teil der Anlage ist, konzentriert. Diese Arbeit zielt auf eine umfassende Entwicklung des ganzen Prozesses, die zusammen mit verfügbaren OCM Reaktoren eine gute Wahl für die kommerzielle Äthylenherstellung sein kann. Die Vielfalt der Äthylen-Anlagen (Naphtha-Cracken, Ethan-Cracken, Kohle-zu-Olefin...) bedeutet, dass es keine allgemeine überlegene Option gibt. Die Suche nach einem Übergang auf OCM zur Äthylenherstellung erfordert einen Vergleich mit anderen Technologien und den Hinweis auf die Bedingung, unter der OCM eine bessere Lösung erzielen kann. OCM wird derzeitig nur kurz in Bewertungen von modernen Äthylen Produktionsalternativen erwähnt, weil es noch keine ausgereifte Technologie ist. Forschungen zu OCM neigen dazu, sich auf diesen Prozess allein aber nicht im Vergleich zu Alternativen zu konzentrieren. Daher bewerten die ersten Kapitel in der vorgelegten Arbeit verschiedene Varianten zur Äthylenherstellung und Methanumwandlung. OCM kann die bestehenden Technologien ergänzen, um in Zukunft zur besseren Nutzung der natürlichen Ressourcen beizutragen. Trotz großer Vorkommen und Reserven von Methan ist OCM noch nicht kommerzialisiert worden, weil die Äthylenherstellung durch diese Technologie teurer als durch andere Alternativen ist. Im zweiten Kapitel werden die Produktionskosten von Äthylen durch OCM als Funktion von Äthylen Ausbeute und Selektivität sowie Rohstoffpreise und Betriebsmedienpreise geschätzt. Die geschätzten Produktionskosten können mit den aktuellen Produktionskosten verglichen werden, um zu entscheiden, ob OCM für eine neue Äthylen-Anlage berücksichtigt werden sollte. Die entwickelt Kostenfunktionen können verwendet werden, um die Empfindlichkeit der Produktionskosten gegen Reaktorleistung, Rohstoff- und Energiepreise zu analysieren. Die Kostenschätzung ergab auch, dass die kryogene Destillation der Hauptkostentreiber ist. Verschiedene Alternativen für die Kryotechnik werden berücksichtigt und ein neues Verfahrensfließbild mit adsorptiver Trennung wurde konzeptioniert und anschließend analysiert. In diesem Kapitel werden auch Lösungen für die Verwendung der Nebenprodukte und des nicht umgewandelten Methans vorgeschlagen. Die Menge dieser Stoffe ist bedeutsam aufgrund des niedrigen Umsatzes und Selektivität des OCM Reaktors. In dem nächsten Kapitel wird der entwickelte Lösungsvorschlag durch Simulation quantitativ detailliert analysiert. Zwei repräsentative Adsorptionsmittel wurden getestet: Zeolith und Aktivkohle. Simulationsergebnisse liefern detaillierte Informationen für die Adsorptionsmittelauswahl, den Prozessbetrieb und führen zu einer Entwicklung eines neuen Verfahrensfließbildes. Der Prozessvorschlag wurde schließlich durch Experimente bestätigt. Das Versuchsergebnis beweist, dass der Vorschlag zusammen mit neuen OCM Reaktoren das Naphtha-Cracken in der Region mit preisgünstiger Erdgasversorgung wirtschaftlich ersetzen kann.
Ethylene is the most produced petrochemical with about 140 million tonnes annual production and nearly 300 million tonnes annual carbon dioxide emission. In recent years, record price of crude oil – the origin of more than 50% ethylene worldwide – has put naphtha-based producers in a very tough position, especially the ones in region with strict emission regulation such as Europe. Meanwhile 150 billion cubic meters of methane are flared or vented every year due to transport and store difficulty, emitting about 400 million tonnes of carbon dioxide. In this situation, oxidative coupling of methane (OCM), the reaction directly converts methane into ethylene, seems to be a sustainable solution for both short-term oil price and long-term environment preservation. Unfortunately, OCM process in present state of the art is still considered inadequate for industrial application. Most researches in this topic have been focusing on improving the performance of OCM reactor, which is only a part (though important) of a plant. This work aims at a comprehensive development of the whole process which, in combination with available OCM reactors, can make this technology a decent choice for commercial ethylene production. The diversity of ethylene plants (naphtha cracking, ethane cracking, coal-to-olefin…) means there is no universally superior option. Finding an application for OCM requires comparing it with other technologies, pointing out the condition under which OCM can bring relative improvement. Since OCM is not a mature technology yet, it is only mentioned briefly in reviews of ethylene production alternatives while researches on OCM tend to focus on this process alone rather than comparison with others. Hence, the first chapter of this thesis reviews different means of ethylene production and methane conversion. The gap between their limitations is the place where OCM can be employed for a better use of natural resource. Despite the abundant supply of methane, OCM is still not selected because ethylene produced by this technology is more expensive than by other alternatives. In the second chapter, production cost of ethylene by OCM is estimated as a function of ethylene yield and selectivity as well as prices of raw material and utilities required for plant operation. The estimated production cost can be compare with the production cost by other technologies to decide if OCM should be considered for a new ethylene plant or not. The attained function can be used to analyse the sensitivity of production cost against reactor performance, raw material and energy prices. Cost estimation also revealed cryogenic distillation as the bottle-neck in process flow diagram. Different substitutes are reviewed and a new process flow diagram based on adsorptive separation is synthesised conceptually. Also proposed in this chapter are solutions for by products and unreacted methane. The amount of these substances is significant due to low conversion and selectivity of OCM reactor. In the next chapter, the proposal is analysed quantitatively by simulation. Two representative sorbents are tested: zeolite and activated carbon. Simulation result provides information for sorbent selection, process operation and final decision on process flow diagram. The proposal is finally validated by experiment. Calculation based on scaling up experiment result proves that when combines with state of the art OCM reactors the proposal can be competitive enough to replace naphtha cracking in region with low-priced natural gas supply such as North America.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-49531
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4301
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4004
Exam Date: 14-Mar-2014
Issue Date: 11-Apr-2014
Date Available: 11-Apr-2014
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): Adsorptive Trennung
Aktivkohle
Demethanizer
Ethylenherstellung
Oxidative Kupplung von Methan
Activated carbon
Adsorptive separation
Demethanizer
Ethylene production
Oxidative coupling of methane
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