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Publicação
Develop and Perform Experiments in a Spray Dryer Equipment in order to Improve Process Sustainability
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Hovione aims to reduce 40% of carbon emissions by 2030, and currently, all solvents used in the spray drying process are incinerated or go for treatment, and fresh solvents are used. To increase the process's sustainability, economy, and productivity, it is essential to reuse these solvents. However, the reutilization is particularly challenging with the use of binary mixtures, as it requires precise knowledge of the solvents ratio to adjust quantities for their use in new batches in production. This is the primary objective of this work: to develop a strategy for re-adjust the quantities of binary mixtures in production without the need of laboratory tests.
The composition of the mixtures can be obtained from their density and temperature, variables easily measured by mass flow meters in production. In this dissertation, models were developed to determine the solvent ratio for three mixtures: dichloromethane/methanol, acetone/water, and ethanol/water. The dichloromethane/methanol mixture model was created using data from the DynoChem program, which the values were validated through laboratory experiments, and a RMSE of 0.0035 g/cm³ was obtained. For acetone/water and ethanol/water, the Dynochem's data was not valid, so new models were developed based on laboratory tests, obtaining RMSEs of 0.0071 g/cm³ and 0.0054 g/cm³, respectively. Furthermore, an Excel tool was created to know the quantity of solvents to be loaded into the reactor, based on density, temperature, and mass of the binary mixture.
It was also studied the efficiency of the solvent reuse through simulations carried out in Aspen Plus; they showed that the efficiency stabilizes after several batches, with significant financial savings: 1510€ per batch for dichloromethane/methanol, 3870€ for acetone/water, and 2030€ for ethanol/water. If solvent reuse had been implemented in the fiscal year 2023, Hovione would have saved at least 19.5 k€, €77.6 k€, and €35.7 k€ for the respective mixtures.
A Hovione ambiciona reduzir as emissões de carbono em 40%, e atualmente todos os solventes utilizados no processo de secagem por pulverização são incinerados ou vão para tratamento, e solventes frescos são utilizados. Para se aumentar a sustentabilidade, economia e produtividade do processo, é essencial reutilizar estes solventes. No entanto, reutilização é particularmente desafiante com a utilização de misturas binárias, uma vez que requer um conhecimento preciso do rácio de solventes nas misturas, de forma a ajustar-se quantidades para a sua utilização em novos lotes na produção. Este é o principal objetivo deste trabalho: desenvolver uma estratégia para se re-ajustar as quantidades de solventes nas misturas na produção, sem a necessidade de testes laboratoriais. A composição das misturas pode ser obtida a partir da densidade e temperatura das misturas, variáveis facilmente medidas pelos caudalímetros na produção. Na presente dissertação desenvolvaram-se modelos para determinar o rácio de solventes para três misturas: diclorometano/metanol, acetona/água e etanol/água. O modelo da mistura diclorometano/metanol foi criado com recurso a dados do programa DynoChem e foi validado através de dados experimentais, tendo-se obtido um RMSE de 0.0035 g/cm³. Para a acetona/água e etanol/água, o DynoChem não era válido, pelo que foram desenvolvidos novos modelos baseados em testes laboratoriais, obtendo-se RMSEs de 0.0071 g/cm³ e 0.0054 g/cm³, respetivamente. Além disso, foi criada uma ferramenta Excel de forma a saber-se a quantidade de solventes a carregar ao reator, a partir da densidade, temperatura e massa das misturas binárias. Foi também estudada a eficiência da reutilização de solventes, através de simulações no Aspen Plus, que mostraram que a eficiência estabiliza após vários lotes, com poupanças financeiras significativas: 1510€ por lote para a mistura diclorometano/metanol, 3870€ para acetona/água e 2030€ para etanol/água. Se a reutilização de solventes tivesse sido implementada no ano fiscal de 2023, a Hovione teria poupado, pelo menos, 19.5 k€, 77.6 k€ e 35.7 k€ para as respetivas misturas.
A Hovione ambiciona reduzir as emissões de carbono em 40%, e atualmente todos os solventes utilizados no processo de secagem por pulverização são incinerados ou vão para tratamento, e solventes frescos são utilizados. Para se aumentar a sustentabilidade, economia e produtividade do processo, é essencial reutilizar estes solventes. No entanto, reutilização é particularmente desafiante com a utilização de misturas binárias, uma vez que requer um conhecimento preciso do rácio de solventes nas misturas, de forma a ajustar-se quantidades para a sua utilização em novos lotes na produção. Este é o principal objetivo deste trabalho: desenvolver uma estratégia para se re-ajustar as quantidades de solventes nas misturas na produção, sem a necessidade de testes laboratoriais. A composição das misturas pode ser obtida a partir da densidade e temperatura das misturas, variáveis facilmente medidas pelos caudalímetros na produção. Na presente dissertação desenvolvaram-se modelos para determinar o rácio de solventes para três misturas: diclorometano/metanol, acetona/água e etanol/água. O modelo da mistura diclorometano/metanol foi criado com recurso a dados do programa DynoChem e foi validado através de dados experimentais, tendo-se obtido um RMSE de 0.0035 g/cm³. Para a acetona/água e etanol/água, o DynoChem não era válido, pelo que foram desenvolvidos novos modelos baseados em testes laboratoriais, obtendo-se RMSEs de 0.0071 g/cm³ e 0.0054 g/cm³, respetivamente. Além disso, foi criada uma ferramenta Excel de forma a saber-se a quantidade de solventes a carregar ao reator, a partir da densidade, temperatura e massa das misturas binárias. Foi também estudada a eficiência da reutilização de solventes, através de simulações no Aspen Plus, que mostraram que a eficiência estabiliza após vários lotes, com poupanças financeiras significativas: 1510€ por lote para a mistura diclorometano/metanol, 3870€ para acetona/água e 2030€ para etanol/água. Se a reutilização de solventes tivesse sido implementada no ano fiscal de 2023, a Hovione teria poupado, pelo menos, 19.5 k€, 77.6 k€ e 35.7 k€ para as respetivas misturas.
Descrição
Palavras-chave
Spray Drying Solvent Reutilization Binary Mixtures Mathematical Models Development and Validation Mixture Ratio determination from density and temperature