Simulação, análise econômica e otimização do processo de produção de levulinatos

Abstract

Este trabalho apresenta a simulação, análise econômica e otimização do processo de produção de levulinatos de etila e butila no software Aspen Plus®. Os levulinatos são derivados de biomassa com alto potencial como bioaditivos e combustíveis alternativos. Embora estudos anteriores tenham abordado sua síntese, poucos exploram de forma comparativa a viabilidade econômica entre sistemas convencionais e de destilação reativa, especialmente diante dos desafios de separação de azeótropos. Foram simulados dois sistemas distintos: o convencional, que utiliza reatores CSTR seguidos de etapas de separação, e o de destilação reativa, que integra reação e separação em uma única unidade. Um dos principais desafios foi a separação do azeótropo água–etanol durante a produção do levulinato de etila, solucionado pela modificação da rota reacional, mantendo o ácido levulínico em excesso. Apesar da vantagem energética teórica da destilação reativa, os custos totais foram semelhantes aos do sistema convencional. Na otimização, os parâmetros mais relevantes foram a concentração inicial de álcool e as taxas de refluxo nas colunas de destilação e separação. O custo mínimo obtido foi de 4,24 USD/kg para o levulinato de etila e 10,97 USD/kg para o levulinato de butila. Os resultados evidenciam que a integração de processos, mesmo sem reduzir expressivamente os custos atuais, representa uma estratégia promissora para biorrefinarias mais eficientes. A queda no preço do ácido levulínico e o uso de matérias-primas renováveis podem ampliar a viabilidade econômica dos levulinatos, fortalecendo sua competitividade como alternativas sustentáveis na transição para uma economia de baixo carbono. Palavras-chave: Aspen Plus, destilação reativa, ácido levulínico, biorrefinaria, Separação azeotrópica.This work presents the simulation, economic analysis, and optimization of the production process of ethyl and butyl levulinates using Aspen Plus® software. Levulinates are biomass-derived compounds with high potential as bioadditives and alternative fuels. Although previous studies have explored their synthesis, few have comparatively assessed the economic feasibility of conventional systems and reactive distillation, especially considering the challenges of azeotrope separation. Two distinct systems were simulated: the conventional one, which employs CSTR reactors followed by separation steps, and reactive distillation, which integrates reaction and separation in a single unit. One of the main challenges was the separation of the water–ethanol azeotrope during ethyl levulinate production. This was overcome by modifying the reaction route to keep levulinic acid in excess, which facilitated separation. Despite the theoretical energetic advantage of reactive distillation, the total costs were similar to those of the conventional system. In the optimization, the most relevant factors were the initial alcohol concentration and the reflux ratios in both the distillation and separation columns. The minimum production cost obtained was 4.24 USD/kg for ethyl levulinate and 10.97 USD/kg for butyl levulinate. The results highlight that process integration, even without significantly reducing current costs, represents a promising strategy for more efficient biorefineries. Future reductions in levulinic acid prices and the use of renewable raw materials could enhance the economic feasibility of levulinates, strengthening their competitiveness as sustainable alternatives in the transition to a low-carbon economy. Keywords: Aspen Plus, reactive distillation, levulinic acid, biorefinery, Azeotropic separation.