Simulation of ethanol recovery in a pharmaceutical prodution

Abstract

This thesis examines the realm of thermodynamics within the domain of chemical engineering,with a particular focus on vapor-liquid equilibria (VLE), distillation processes,and multi-component rectification. The interplay of key components such as water,ethanol, methanol, and acetaldehyde is explored, shedding light on their behaviors andinteractions within complex systems. Special attention is directed towards the pharmaceuticalindustry, notably at Octapharma, where the need for regeneration processes andthe management of by-products, such as methanol, are paramount. The core elements of distillation, including its methodologies such as McCabe-Thieleand Fenske-Underwood-Gillilan, as well as internals and efficiency measures, are analysedcomprehensively with the distillation column at Octapharma taking the center stage. The practical part of the thesis encompasses the creation of basic distillation models,employing tools like the McCabe-Thiele method and the Aspen Plus simulation platform,thereby bridging theory with real-world applications. Furthermore, the design andsensitivity analysis of ternary systems, closely mirroring Octapharma’s operational complexities,are explored. This includes the impact of pressure drop or the use of the heatintegration, elucidating strategies to harness the potential for enhanced energy efficiencyin chemical processes, providing valuable insights for practical implementation.Results of the study reveal opportunities for enhancing energy efficiency through theutilization of cold and heat streams within the distillation column, particularly pertinentto pharmaceutical production. Notably, the simulations conducted in Aspen Plus weresuccessful, demonstrating that the real-world distillation column could be accuratelysimulated in Aspen Plus, achieving the same purity and product properties.

Diese Arbeit untersucht den Bereich der Thermodynamik im Bereich der chemischenVerfahrenstechnik mit besonderem Schwerpunkt auf Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichten(VLE), Destillationsprozessen und Mehrkomponentenrektifikation. Das Zusammenspielvon Schlüsselkomponenten wie Wasser, Ethanol, Methanol und Acetaldehyd wird erforschtund deren Verhalten und Wechselwirkungen in komplexen Systemen beleuchtet.Besonderes Augenmerk liegt auf der pharmazeutischen Industrie, insbesondere bei Octapharma,wo die Notwendigkeit von Regenerationsprozessen und das Management vonNebenprodukten wie Methanol von größter Bedeutung sind.Die Kernelemente der Destillation, einschließlich ihrer Methoden wie McCabe-Thiele undFenske-Underwood-Gillilan, sowie Interna und Effizienzmaßnahmen werden umfassendanalysiert, wobei die Destillationskolonne bei Octapharma im Mittelpunkt steht.Der praktische Teil der Arbeit umfasst die Erstellung grundlegender Destillationsmodelleunter Verwendung von Werkzeugen wie der McCabe-Thiele-Methode und der SimulationsplattformAspen Plus, wodurch eine Brücke zwischen Theorie und realen Anwendungengeschlagen wird. Darüber hinaus werden der Entwurf und die Sensitivitätsanalysevon ternären Systemen untersucht, die die Komplexität des Betriebs von Octapharmawiderspiegeln. Dazu gehören die Auswirkungen des Druckabfalls oder die Nutzung derWärmeintegration, wodurch Strategien zur Nutzung des Potenzials für eine verbesserteEnergieeffizienz in chemischen Prozessen aufgezeigt werden, die wertvolle Erkenntnissefür die praktische Umsetzung liefern.Die Ergebnisse der Studie zeigen Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz durchdie Nutzung von Kälte- und Wärmeströmen innerhalb der Destillationskolonne auf, dieinsbesondere für die pharmazeutische Produktion relevant sind. Insbesondere die in AspenPlus durchgeführten Simulationen waren erfolgreich und zeigten, dass die reale Destillationskolonnein Aspen Plus genau simuliert werden kann, wobei die gleichen ReinheitsundProdukteigenschaften erzielt werden.