Aproveitamento de CO2 para síntese de carbonato de dietila : modelagem, simulação e ciclo de vida

Abstract

Resumo: Esta dissertação investiga a produção sustentável de carbonato de dietila (DEC) a partir de dióxido de carbono (CO2) e etanol, com foco na otimização energética, impacto ambiental e viabilidade econômica. O DEC é um composto de grande interesse devido às suas aplicações como aditivo de combustíveis e em baterias. A pesquisa envolveu modelagem e simulação de duas configurações de plantas químicas no software Aspen Plus v12.1, com integração energética realizada pelo FI2EPI e análise de ciclo de vida (ACV) conduzida no OpenLCA 2.0, utilizando os bancos de dados Agribalyse e Ecoinvent. As simulações consideraram a carbonilação oxidativa do etanol com 2-cianopiridina como agente desidratante e dióxido de cério (CeO2) como catalisador. Duas configurações de plantas foram projetadas: a Planta 1, com condensadores e reboilers acoplados às colunas de destilação, e a Planta 2, com esses equipamentos separados. A integração energética permitiu reduzir significativamente o consumo de utilidades. Na Planta 1, o consumo de utilidades quentes foi reduzido de 169,5 kW para 50,4 kW (uma economia de 70,3%), enquanto na Planta 2, a redução foi ainda mais expressiva, de 301 kW para 42,8 kW (economia de 85,8%). Esses resultados destacam a importância da integração energética no aumento da eficiência operacional e na redução de custos. A análise de ciclo de vida foi realizada para avaliar os impactos ambientais das plantas, considerando emissões diretas e indiretas de carbono, oriundas de processos internos e da produção e transporte de matérias-primas. A ACV revelou que as plantas com integração energética, denominadas Plantas 3 e 4, são significativamente mais sustentáveis. A Planta 3 apresentou uma redução de 15,90% nas emissões de CO2 equivalente em relação à Planta 1, enquanto a Planta 4 reduziu as emissões em 15,44% em relação à Planta 2. Além disso, ao comparar as plantas mais sustentáveis, a Planta 4 destacou-se como a mais eficiente, emitindo 4,92% menos CO2 equivalente do que a Planta 3. A análise econômica demonstrou a viabilidade financeira do processo, especialmente devido à redução significativa nos custos operacionais proporcionada pela integração energética. A produção média de 414 kg/h de DEC, com pureza superior a 99% em massa, garante o potencial comercial do produto, enquanto o reaproveitamento de CO2 reciclado no processo contribui para reduzir os custos e reforçar a sustentabilidade econômica e ambiental. Os resultados obtidos ressaltam a importância da integração energética e da análise do ciclo de vida como ferramentas fundamentais para o desenvolvimento de processos industriais mais eficientes e ambientalmente amigáveis. O trabalho contribui para a viabilização técnica, econômica e sustentável da produção de DEC, promovendo soluções alinhadas às metas globais de mitigação das emissões de gases de efeito estufa e economia de recursos

Abstract: This dissertation investigates the sustainable production of diethyl carbonate (DEC) from carbon dioxide (CO2) and ethanol, focusing on energy optimization, environmental impact, and economic feasibility. DEC is a compound of significant interest due to its applications as a fuel additive and in batteries. The research involved modeling and simulation of two chemical plant configurations using Aspen Plus v12.1, with energy integration performed via FI2EPI and a life cycle assessment (LCA) conducted using OpenLCA 2.0, leveraging the Agribalyse and Ecoinvent databases. The simulations considered ethanol oxidative carbonylation with 2-cyanopyridine as a dehydrating agent and cerium dioxide (CeO2) as a catalyst. Two plant configurations were designed: Plant 1, with condensers and reboilers coupled to the distillation columns, and Plant 2, where these components were decoupled. Energy integration significantly reduced utility consumption. In Plant 1, hot utility demand decreased from 169.5 kW to 50.4 kW (a 70.3% reduction), while in Plant 2, it dropped from 301 kW to 42.8 kW (an 85.8% reduction). These results underscore the critical role of energy integration in enhancing operational efficiency and reducing costs. LCA was performed to assess the environmental impacts of the plants, accounting for direct and indirect carbon emissions from internal processes and the production and transportation of raw materials. The analysis revealed that the plants with energy integration, designated as Plants 3 and 4, were significantly more sustainable. Plant 3 achieved a 15.90% reduction in CO2 equivalent emissions compared to Plant 1, while Plant 4 achieved a 15.44% reduction compared to Plant 2. Moreover, when comparing the most sustainable configurations, Plant 4 emerged as the most efficient, emitting 4.92% less CO2 equivalent than Plant 3. Economic analysis demonstrated the financial viability of the process, particularly due to the substantial operational cost reductions enabled by energy integration. The average production rate of 414 kg/h of DEC with a purity exceeding 99% by mass ensures the commercial potential of the product. Additionally, the recycling of CO2 within the process contributes to cost reductions while enhancing both economic and environmental sustainability. These findings highlight the importance of energy integration and life cycle assessment as essential tools for developing more efficient and environmentally friendly industrial processes. This work contributes to the technical, economic, and sustainable viability of DEC production, aligning with global goals for reducing greenhouse gas emissions and conserving resources