“Design and Simulation of Chemical Recycling of Waste Plastic to Olefins by Thermochemical Routes”. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF g202314690 MUHAMMED-JAMIU OGIRIMA UMAR.pdf Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

ملخص الرسالة الاسم الكامل: محمد جامع أوجيريما عمر عنوان الرسالة: تصميم ومحاكاة تحويل النفايات البلاستيكية إلى أوليفينات عبر المسارات الكيميائية الحرارية التخصص: الهندسة الكيميائية تاريخ الدرجة العلمية: مايو، 2026 يتماشى الطلب المتزايد على المسارات المستدامة لتحويل نفايات البلاستيك إلى أوليفينات خفيفة ذات قيمة عالية مع الانتقال نحو اقتصاد الكربون الدائري. تبحث هذه الدراسة في مسار كيميائي حراري متكامل لتحويل البلاستيك إلى أوليفينات، مع التركيز على تكامل العمليات، والتقييم البيئي، والجدوى التقنية الاقتصادية باستخدام برنامج المحاكاة Aspen Plus V14. تمت دراسة ومحاكاة عمليتين كيميائيتين حراريتين مختلفتين في برنامج Aspen Plus حيث تم تقييم جميع العمليات. يستكشف المسار الأول طرق تحويل البلاستيك إلى أوليفين عبر التحلل الحراري (Pyrolysis)، حيث تم تطوير نموذجين مختلفين: حالة أساسية وحالة بديلة. أما المسار الكيميائي الحراري الثاني الذي تم استكشافه فهو مسار تحويل البلاستيك إلى ميثانول ثم إلى أوليفين (PMTO)، حيث تم تطوير نموذج آخر، مما يجعل المجموع ثلاثة نماذج مختلفة من مسارين للعمليات. تم تطوير الحالة الأساسية لتمثيل مسار تقليدي للتحلل الحراري إلى أوليفينات، يتكون من التحلل الحراري للبلاستيك، والتكسير الهيدروجيني لزيت التحلل الحراري الناتج، والتكسير بالبخار، والتزويد الخارجي بالهيدروجين المتجدد. وتم اقتراح تصميم بديل لتوليد الهيدروجين داخلياً من غاز التحلل الحراري عبر تفاعلات إصلاح الميثان بالبخار وإزاحة غاز الماء، مما يوفر الهيدروجين لعملية التكسير الهيدروجيني وبالتالي يلغي الحاجة إلى مدخلات هيدروجين خارجية. ومن ناحية أخرى، يتكون مسار PMTO من تغويز البلاستيك إلى غاز اصطناعي، وتصنيع الغاز الاصطناعي إلى ميثانول، وأخيراً تصنيع الميثانول إلى أوليفينات. تمت محاكاة جميع التصاميم وتقييمها من حيث بصمة الكربون، وكفاءة الطاقة، والأداء الاقتصادي. وأظهرت النتائج كفاءات كربونية وعوائد أوليفين متقاربة في جميع الحالات. حققت الحالة الأساسية كفاءة طاقة أعلى (%74.72) وانبعاثات ثاني أكسيد كربون أقل (0.55 طن CO2/طن أوليفين) مقارنة بالحالة البديلة (%67.0 و0.93 طن CO2/طن أوليفين) وحالة PMTO (%72.760 و0.69 طن CO2/طن أوليفين). كانت متطلبات تغذية البلاستيك هي الأعلى في حالة PMTO بواقع 1.07 طن بلاستيك/طن أوليفين مقارنة بمساري التحلل الحراري (1.84 طن بلاستيك/طن أوليفين). علاوة على ذلك، سجلت حالة PMTO أعلى كفاءة كربونية بين النماذج الثلاثة بنسبة %88 مقارنة بنسبة %53 لكل من مساري عملية التحلل الحراري (التصميم الأساسي والبديل). ومع ذلك، أظهر التصميم البديل تفوقاً اقتصادياً، مع انخفاض تكاليف الإنتاج (557 دولاراً للطن من الأوليفين)، ومعدل عائد داخلي أعلى (%61)، وصافي قيمة حالية أكبر (688 مليون دولار)، وفترة استرداد أقصر (3.2 سنة). وبشكل عام، تشير النتائج إلى أنه على الرغم من أن جميع التكوينات مجدية تقنياً وتظهر أداءً متقارباً، إلا أن دمج استرداد الهيدروجين يعزز الاستدامة الاقتصادية لتحويل النفايات البلاستيكية إلى أوليفينات من خلال تحقيق الاكتفاء الذاتي من الهيدروجين وتقليل الاعتماد على إمدادات الهيدروجين الخارجية.

English Abstract

ABSTRACT Full Name : Muhammed-Jamiu Ogirima Umar Thesis Title : Design and Simulation of Plastic Waste to Olefin by Thermochemical Routes Major Field : Chemical Engineering Date of Degree : May, 2026 The growing demand for sustainable pathways to convert waste plastics into high value light olefins aligns with the transition toward a circular carbon economy. This study investigates an integrated thermochemical route for plastic-to-olefins conversion, emphasizing process integration, environmental assessment, and techno-economic viability employing Aspen Plus simulator V14. Two different thermochemical processes were studied and simulated in Aspen Plus where all processes were evaluated. The first route explores Pyrolysis of plastic to olefin routes where two different models were developed: a base case and an alternative case. The second thermochemical route explored was the plastic to methanol-to-Olefin route (PMTO) where another model was developed making the overall three different model from two process routes. A base case was developed to represent a conventional pyrolysis-to-olefins route comprising plastic pyrolysis, hydrocracking of the resulting pyrolysis oil, steam cracking, and the external supply of renewable hydrogen. An alternative design was proposed to internally generate hydrogen from pyro-gas via steam methane reforming and water-gas shift reactions, providing hydrogen for hydrocracking and thereby eliminating the need for external hydrogen input. On the other hand, the PMTO route comprises plastic gasification to syngas, syngas synthesis to methanol, and finally methanol synthesis to Olefins. All designs were simulated and evaluated in terms of carbon footprint, energy efficiency, and economic performance. The results revealed comparable carbon efficiencies and olefin yields in all cases. The base case achieved higher energy efficiency (74.72%) and lower CO2 emissions (0.55 t CO2/t olefin) compared to the alternative case (67.0% and 0.93 t CO2/t olefin) and( 72.760% and 0.69 t CO2/t olefin) of the PMTO case . The plastic feed requirement was highest for the PMTO case having 1.07 t plastic/ t olefin compared to the two-pyrolysis route of (1.84 t plastic/t olefin). Furthermore, the PMTO case has the highest carbon efficiency of the three models with 88% as compared to 53% of both the pyrolysis process routes’ base and alternative design. However, the alternative design demonstrated superior economics, with lower production costs $557/t Olefin, a higher internal rate of return (61%), a larger net present value ($688MM), and a shorter payback period of (3.2 years). Overall, the findings indicate that although all configurations are technically feasible and exhibit comparable performance, the integration of hydrogen recovery enhances the economic sustainability of waste-plastics-to-olefins conversion by achieving hydrogen self-sufficiency and reducing dependence on external hydrogen supplies.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Chemical Engineering Research Research > Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Umer Zahid,
Thesis Committee Members:	Zuhair Malaibari, Usama Ahmed,
Depositing User:	MUHAMMAD-JAMIU UMAR (g202314690)
Date Deposited:	21 May 2026 07:18
Last Modified:	21 May 2026 07:18
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144406