Avaliação da atividade catalítica do sulfato de ferro (III) na esterificação do ácido levulínico para a produção de bioaditivos de gasolina

Abstract

Catalisadores são muito utilizados na indústria química e têm um papel fundamental na síntese de compostos de alto valor agregado e de combustíveis. Neste trabalho, foi investigada a atividade do Fe 2 (SO 4 ) 3 como catalisador da reação em fase homogênea de esterificação do ácido levulínico com etanol. Embora solúvel, o Fe 2 (SO 4 ) 3 pôde ser recuperado e reutilizado por separação em coluna de sílica. Foram avaliados os efeitos dos principais fatores que afetam a velocidade, conversão e seletividade da reação. Nas reações, foram obtidas conversão do ácido levulínico (ca. 89%) e seletividade (ca. 97%) para o levulinato de etila elevadas. O Fe 2 (SO 4 ) 3 é um potencial catalisador para ser usado em escala industrial nesta reação por ser eficiente, reutilizável e de baixo custo. Após a otimização das condições de reação, realizou-se a simulação do processo de produção industrial do levulinato de etila no software Aspen Plus V10, onde o modelo termodinâmico UNIQUAC foi escolhido para reproduzir o comportamento do sistema. Foram selecionadas as operações unitárias, cujas variáveis foram otimizadas por análise de sensibilidade, e um fluxograma do processo foi construído. Os preços para matéria-prima, solventes e utilidades foram cotados e os custos relativos a investimento, operação e despesas gerais da indústria foram fornecidos pelo software. Através de alguns indicadores de análise econômica, foi possível concluir sobre a viabilidade do processo e estimou-se o tempo de retorno do investimento de 3,4 anos, considerando 8040 h de operação anual. Uma análise de sensibilidade foi efetuada e a influência de alguns parâmetros no preço do produto foi analisada, o que pode contribuir nas tomadas de decisão ao nível industrial no futuro.

Catalysts are widely used in the chemical industry and play a key role in the synthesis of high value-added compounds and fuels. In this work, the activity of Fe 2 (SO 4 ) 3 catalyst on esterification in homogeneous phase of levulinic acid with ethanol was investigated. Although soluble, Fe 2 (SO 4 ) 3 could be recovered and reused by column separation of silica. The effects of the main factors affecting the rate, conversion, and selectivity of there action were evaluated. In the reactions, a high conversion of levulinic acid (ca. 89%) and high selectivity (ca. 97%) to ethyl levulinate was achieved. Fe 2 (SO 4 ) 3 is a potential catalyst to be used on an industrial scale in this reaction because it is efficient, reusable and of low cost. After the optimization the reaction conditions, it was performed the simulation of the industrial production process of ethyl levulinate in Aspen Plus V10 software, where the UNIQUAC thermodynamic model was chosen to reproduce the behavior of the system. The unitary operations were selected, whose variables were optimized by sensitivity analysis, and a flowchart of the process was constructed. Prices for raw materials, solvents, and utilities were quoted and the costs related to the investment, operation and general expenses of the industry were provided by the software. Through some indicators of economic analysis, it was possible to conclude the feasibility of the process and estimate the return time of the investment of 3.4 years, considering 8040 h of annual operation. A sensitivity analysis was performed and the influence of some parameters on the product price was analyzed, which may contribute to a decision at industrial level making in the future.