Thesis (M.Sc)-Cairo University, 2025.

Bibliography: pages 124-131.

With increasing global energy demands and concerns over climate change, synthetic
natural gas (SNG) production through biomass thermochemical conversion and
methanation emerges as a promising solution. This process offers high conversion
efficiency, utilizes existing gas infrastructure, and supports carbon capture without
additional cost.
Direct methanation of biogas offers a compelling method for integrating renewable
energy into natural gas networks, circumventing the costly step of CO2 separation from
biogas. This process utilizes hydrogen to react with CO2, producing methane and water.
The resulting methane can be stored or used as an alternative vehicle fuel. Key
implementation challenges include optimizing methanation reactor designs and final
upgrading processes. The catalytic exothermal methanation reaction operates at
temperatures of 200-500°C and pressures of 10-30 bar, achieving high CO2 conversion
rates of 94-98% with an optimal H2/CO2 molar ratio of 4. Biogas composition,
particularly CH4 content, influence’s reaction dynamics, acting as a temperature
moderator at lower pressures.
This study employs Aspen HYSYS v14 to model and simulate an isothermal fixed-bed
reactor for methanation using Xu and Froment kinetics with Ni catalyst. The reactor, with
a volume of 240 m³ and Ni catalyst weighing approximately 398 tons, achieves a daily
biomethane production of 25 tons. The final biomethane composition is 95.07% CH4,
3.77% H2, 0.22% H2O, and 0.94% CO2 on a molar basis. Sensitivity analysis reveals that
the optimal temperature for maximum conversion efficiency at 20 bar pressure is 300°C,
highlighting the critical role of temperature-pressure optimization in CO2 methanation.
Implementation of Heat Exchange Network (HEN) design results in substantial energy
savings heating duties being reduced by 88.89 %, cooling duties by 13.5%, and overall
utility duties by 23.43%, enhancing energy efficiency across operations. The capital cost
is
$33,707,940 and operating cost $12,610,871. The heat integration (HI) and
optimization has led to both capital and operating cost savings. The capital cost savings
of approximately $2,912,700 represent a 7.95 % reduction. The annual operating cost
decreased by $690,615, reflecting 5.19% savings.

تعد إنتاج الغاز الطبيعي الاصطناعي من خلال تحويل البيوماس والميثنة حلاً واعداً لزيادة الطلب على الطاقة العالمية والقلق من تغير المناخ. يوفر هذا العملية كفاءة عالية في التحويل، وتستخدم البنية التحتية الحالية للغاز، وتدعم الاستيلاء على الكربون بدون تكاليف إضافية. الميثنة المباشرة للبيوغاز توفر طريقة مثيرة لدمج الطاقة المتجددة في شبكات الغاز الطبيعي، حيث تتجاوز الخطوة التكلفة المرتفعة لفصل ثاني أكسيد الكربون من البيوغاز. تستخدم هذه العملية الهيدروجين لتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون، مما ينتج عنه الميثان والماء. يمكن تخزين الميثان الناتج أو استخدامه كوقود بديل للمركبات. تشمل التحديات الرئيسية للتنفيذ تحسين تصاميم مفاعلات الميثنة وعمليات الترقية النهائية. يعمل التفاعل الميثني الحفازي الحراري عند درجات حرارة تتراوح بين 200 و500 درجة مئوية وضغوط يتراوح بين 10 و30 بار، مع تحقيق معدلات تحويل عالية لثاني أكسيد الكربون تتراوح بين 94-98% ونسبة مولية مثالية للهيدروجين/ثاني أكسيد الكربون تبلغ 4. تؤثر تركيبة البيوغاز، خاصةً محتوى الميثان ، على ديناميكية التفاعل، حيث يعمل كمعدل حراري عند الضغوط المنخفضة. تستخدم هذه الدراسة برنامج اسبن هايسس لنمذجة ومحاكاة مفاعل سرير ثابت مثلثي للميثنة باستخدام حركيات اكسو و فورمنت وحفاز ني. يحقق المفاعل، بحجم 240 متر مكعب ووزن حفاز ني يبلغ حوالي 398 طن، إنتاجاً يومياً للبيوميثان يبلغ 25 طن. تكوين البيوميثان النهائي هو ميثان 95.09%, هيدروجين 3.77% ، ماء 0.22%، و ناني اكسيد الكربون 0.94% على أساس مولي. تكشف التحليلات الحساسية أن درجة الحرارة المثلى لتحقيق أقصى كفاءة للتحويل عند ضغط 20 بار هي 300 درجة مئوية، مما يسلط الضوء على أهمية تحسين درجة الحرارة والضغط في عملية الميثنة لثاني أكسيد الكربون. نتائج تصميم شبكة تبادل الحرارة تؤدي إلى توفيرات كبيرة في الطاقة: تقليل واجبات التسخين بنسبة88.89% ، والتبريد بنسبة 13.5% والواجب الإجمالي للمرافق بنسبة 23.43% ، مما يعزز كفاءة الطاقة عبر العمليات. تبلغ تكلفة رأس المال 33 مليون دولارًا وتكلفة التشغيل 12 مليون دولارًا. وقد أدى تكامل الحرارة إلى توفير كل من رأس المال وتكلفة التشغيل. وتمثل وفورات رأس المال البالغة حوالي 2.912.700 دولارًا انخفاضًا بنسبة 7.9% وانخفاض بنسبة 5.19% في تكاليف التشغيل السنوية (69.061دولارًا أمريكيًا).

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.