Design and optimization of the flexible poly-generation process for methanol and formic acid from CO2 hydrogenation under uncertain product prices

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作者
Qiao Li,Hiroshi Machida,Xusheng Ren,Zemin Feng,Koyo Norinaga
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:54: 635-651 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.01.205
摘要

During the design of the carbon capture and hydrogen storage process, a static CO2 hydrogenation poly-generation process for methanol and formic acid synthesis was developed, thereby reducing recycling flow and feedstock losses in the single methanol synthesis process and increasing product diversity. Additionally, a novel flexible poly-generation process was proposed as the product prices fluctuated with the market environment throughout the plant's life cycle. For the static poly-generation process, a mixed integer nonlinear programming model was established, followed by the Mesh Adaptive Direct Search algorithm to determine the optimal parameter design. For flexible processes, with the unscented transform tool, a two-stage optimization strategy is proposed for obtaining optimal design and operating parameters that are computationally tractable. With an input CO2 flow rate of 200 kmol/h, the results show (1) the static process with an optimal Return On Investment of 13.05%, a fixed investment cost of $ 34.14 × 106, and an annual net profit of 4.46 × 106 $/year; and (2) the flexible process, in which the flexibility indices of the methanol and formic acid production units are 1.088 and 1.194, respectively, resulting the fixed investment cost increase to $ 39.19 × 106, an increase of 14.79%. Accordingly, the annual net profit increased by 8.97% to 4.86 × 106 $/year, while the Return On Investment decreased by 4.67%–12.44%. For investment decision-makers, the flexible poly-generation process can achieve higher profits and reduce potential market risks when they have adequate financing.

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