DISEÑO DEL PROCESO INDUSTRIAL PARA LA PRODUCCIÓN DE FERTILIZ F ERTILIZANTES ANTES FOSFA FO SFATA TADOS DOS
RESUMEN El presente trabajo permite dar una explicación generalizada sobre los diversos procesos industriales para la producción de fertilizantes fosfatados, teniendo como materia prima común la roca r oca fosfórica y el ácido sulfúrico. Se enfocará al estudio de los procesos para la producción de superfosfato simple de calcio y tomaremos la tecnología más adecuadas para su análisis y diseo de proceso a nivel industrial. En el análisis del proceso de la tecnología seleccionada se tomará en cuenta! -
"iseo del producto, propiedades, usos y reemplazos. #nálisis de la materia prima. "iseo del proceso industrial.
1. INTRODUCCIÓN 1.1 DESCRIPCIÓN DEL TEMA $os $os mine minera rale less de fosf fosfat ato o pred predom omin inan ante tess en la fosf fosfor oritita a son son flur flurap apat atitita a %&'a&%()*+'a-+ e idr idrox oxia iapa patitita ta %&'a %&'a&%()*+'a%)/++. Esto Estoss mine minera rale less proporcionan la mayor parte de fósforo para la fabricación de fertilizantes, en el mund mundo o ente entero ro.. Sin Sin emba embarg rgo, o, la prop propia ia fosf fosfor orita ita en polv polvo o no sirv sirve e como como fertilizante por0ue el fósforo 0ue contiene no se alla en forma soluble 0ue permita su fácil asimilación por las plantas. /aciendo reaccionar el mineral con ácido sulfúrico %/ S)*+, ácido ácido nítric nítrico o %/1) %/1)&+ o ácido clorídrico %/'2+, se obtien obtiene e ácido ácido fosfór fosfórico ico %ácido %ácido ortofo ortofosfó sfóric rico+ o+ y superf superfosf osfóri órico, co, import important antes es intermediarios en la producción de fertilizantes fosfatados. $a reacción con ácido sulfúrico es la más utilizada %1aciones 3nidas, 4567+. En la -igura se detalla el proceso de elaboración de fertilizantes fosfatados, a partir de la fosforita natural. (ara la obtención de los superfosfatos la fosforita
es tratad tratada a con con ácido ácido sulfú sulfúric rico, o, ácido ácido fosfór fosfórico ico o ácido ácido superf superfosf osfóric órico. o. $a fosf fosfor orita ita sigu sigue e dos dos vías vías %pro %proce ceso so vía vía úme úmeda da y proc proces eso o t8rm t8rmic ico+ o+ para para la obtención del ácido fosfórico, a partir del cual se obtienen el resto de los fosfatos con un tratamiento previo 0ue incluye amoníaco, ácido sulfúrico o urea, dependiendo de cada tipo según se indica en la -igura. #simismo, #simismo, a partir de la fosforita natural se obtiene el nitrofosfato cuando 8sta es tratada con ácido nítrico.
PROCESOS DE ELABORACIÓN DE FERTILIZANTES FOSFATADOS A PARTIR DE LA FOSFORITA NATURAL
1.2 OBJETIVOS Objetiv !e"e#$%& "isear el proceso industrial para la producción de fertilizantes fosfatados.
Objetiv' e'(e)*+i)'& -
Seleccionar el tipo de producto a analizar 0ue para este trabajo es el Superfosfato Simple de 'alcio.
-
'omp 'ompar arar ar las las tecn tecnol olog ogía íass enco encont ntra rado doss para para la prod produc ucci ción ón de superfosfato simple de calcio y seleccionar la más adecuada.
-
"esarrollar el diseo de proceso industrial de la tecnología seleccionada. seleccionada.
1., IMPORTANCIA. $a importancia de este fertilizante fosfatado radica en el uso para el crecimiento y aumento en la productividad de las plantas. El superfosfato simple de calcio, es un fertilizante 0ue contiene de 4697: de ( ); asimilable, contiene además de 44 a <: de azufre, es poco giroscópico y en la práctica no alcanza ni acidifica el suelo donde se aplica. En el primer estado de crecimiento las plantas tienen necesidades elevadas de fósforo cubiertas por las reservas de las semillas. 'onsumidas estas reservas las plantas manifiestan síntomas de deficiencia cuando no encuentran en el suelo el fósforo necesario. -avorece el desarrollo del sistema radicular al comienzo de la vegetación. En los suelos pobres en ( ); la aplicación de un fertilizante fosfatacio aumente el vigor de las plántulas de una manera neta constituye un factor de precocidad contrario al nitrógeno 0ue tiende a alargar el periodo vegetativo de aplicación de (); el suelo pude acelerar la maduración en algunos días.
JUSTIFICACIÓN -
"ebido a la condición privilegiada en $atino #m8rica de tener en nuestro país uno de los yacimientos fosfatados más ricos del mundo el cual esta localizado en =ayovar en el departamento de (iura, evitando así la salida de las divisas para la importación de >oca -osfórica del extranjero.
-
"ebido a 0ue los costos de producción para menores con otras tecnologías para 0ue pueda competir en el mercado nacional y cumplir con el objetivo de ser asegurable al pe0ueo y mediano agricultor.
ANTECEDENTES 'omenzamos por los estudios realizados poco más de un ciclo atrás, la industria del superfosfato se a incrementado desarrollando rápidamente en toda su capacidad para servir al mundo agrícola. ?ottfrid Escer, director de una escuela protestante en =roun público una serie de preguntas y respuestas en un periódico local @itterung, de acuerdo a las investigaciones realizadas en 2nglaterra en las 0ue las tierras cubiertas con materiales fosfatados, fertiliza los suelos, y esos fosfatos estaban en los uevos y una ligera tentativa de umedecer con ácido barato. Austus Bon $iebre reconocido como el fundador de la 0uímica agrícola y de la industria del fertilizante publicó un reporte, setiembre de 45*7 insistiendo en la importancia de una molienda. Aosep ?raam decía 0ue un abono debe ser fabricado siendo soluble en agua para 0ue las raíces de la planta puedan captar los nutrientes ( ); en el menor tiempo posible. Cambi8n dio detalles de 0ue los uesos previamente calcinados y molidos en ácido muriático y luego precipitando el fosfato de 'alcio de la solución con amoniaco. Aon =ennett $alvers y Aams @urria, fueron los primeros en redecir cartas de patentes en ?ran =retaa para la fabricación de superfosfato, la fabricación consistía en descomposición de uevos, cenizas de uevos previamente molidas y otras sustancias fosfóricas mezcladas con una cantidad suficiente de
ácido sulfúrico suficiente para dejar libre el ácido fosfórico el cual se encontraba en la mezcla a descomponerse. (ero en 46D se descubrió la roca de fosfato en 'arolina del Sur 46D6 y en -lorida en 466< 0ue colocó a la industria de fertilizantes fosfatados a fuerte repunte en la producción de superfosfatos colocando en una posición expectante.
2. MARCO TEÓRICO 2.1 DESARROLLO DEL PROCESO $- Di'e /e% (#/0)t )0$%i/$/e' (#(ie/$/e' 0'' #ee3(%$4'. El Superfosfato simple de calcio, es un fertilizante fosfatada, producto del ata0ue de la roca fosfórica molida o malla 77, con ácido sulfúrico %477g de roca fosfatada, re0uiere de 5; a 5
P#(ie/$/e' F*'i)560*3i)' $as propiedades más importantes del superfosfato normal son! -
'ontenido de ácido libre como ácido sulfúrico entre 4 y :.
-
'ontenido de umedad ; a 6:
-
(); soluble en citrato %en solución de citrato neutro del 7 a 4:+.
-
/egroscopidad a &7F'
-
5*: de umedad relativa.
-
"ensidad de masa no granular 7,6grHcm & y granular 7,5< grHcm &.
U'' El uso del superfosfórico simple d calcio es para el crecimiento y aumento en la productividad de las plantas. En el primer estado de crecimiento las plantas tienen necesidades elevadas de fósforo cubiertas por las reservas de las semillas. 'onsumidas estas reservas las plantas manifiestan síntomas de deficiencia cuando no encuentran en el suelo el fósforo necesario. -avorece además el desarrollo del sistema pedicular.
Ree3(%$4' $os reemplazos 0ue encuentra el superfosfato simple de calcio se da de acuerdo al tipo de ácido 0ue se usa para la obtención del fertilizante. $os productos pueden ser los siguientes! -
Superfosfato triple.
-
-osfato monoamónico
-
-osfato diamónico
-
Sulfato amónico
-
-osfonitrato amónico
-
-osfato de urea de urea9amonio.
-
1itrofosfato.
b- A"7%i'i' /e %$ 3$te#i$ (#i3$ De')#i()i8" /e %$ #)$ +'+8#i)$ /e B$v$#. $a roca fosfórica es la materia prima ideal desde el punto de vista de un proceso, esta deberá tener un contenido máximo de (); y un mínimo de impurezas ya 0ue estas impurezas tienen una influencia negativa en la acidulación de la roca y así como en las propiedades 0uímicas y físicas del producto final, afectando a otros factores como el transporte y la comercialización del producto. En general la roca fosfórica más apropiada será a0uella 0ue puede ser decepcionada y procesada al menor costo por unidad de ( );. $as rocas fosfóricas naturales contienen uno o más minerales fosfatados usualmente fosfato de calcio, de suficiente pureza 0ue permite utilizarla como materia prima en la manufactura de productos comerciales como ácido fosfórico, superfosfato de calcio simple, superfosfato de calcio simple, superfosfato doble y triple, fosfato de amonio. En mineral principal en la roca fosfórica es la apatita cuya estructura puede ser representada por la siguiente fórmula! 'a47 I %()*+D donde I puede representar el grupo idróxido %)/ 9+, 'l9, -9. El calcio en parte puede ser reemplazado por sodio, magnesio, y otros iones positivos como plomo, uranio, etc. El radical %()*+9& en parte puede ser reemplazado por pe0ueas cantidades de %#s)*+9&, %S)*+9 ó %B)*+9&. 3na roca típica es por lo general un fosfato de calcio conteniendo de a *: fluor encontrándose como una mezcla compleja de 'a & %()*+.-.'a.
Ubi)$)i8" /e %' 9$)i3ie"t' /e R)$ F'+8#i)$ /e B$v$#. $os yacimientos de fosfatos se allan ubicados en el desierto de Secura, provincia y departamento de (iura distantes de la ciudad de $ima aproximadamente 4,7&7m., geográficamente delimitados por las latitudes ;F75J y DF4;J Sur y las longitudes 67F&7J y 64F7;J )este. Estos yacimientos están comunicados con la ciudad de (iura por intermedio de una carretera
asfaltada asta Secura y luego desde esta localidad asta las instalaciones de la mina y campamentos por carretera afirmada. $a proximidad a la costa facilita el acceso por mar. El clima de esta zona es típicamente des8rtico y árido existiendo vientos con velocidad promedio de 7 m. (or ora. $a temperatura máxima fluctúa entre & a &6F' en los meses de verano y entre 4* y 4;F' en los meses de invierno.
P#(ie/$/e' i3(#t$"te' /e %$ #)$ +'+8#i)$ /e B$v$#& $- !#$/& $a propiedad más importante de una roca fosfórica es su grado o contenido de ( );. -recuentemente se denomina con =($ %=one pospate of $ime+ o C($ %Crippospate of $ime+, es usada para expresar el grado de una roca fosfórica %4 ( );K.4&; =($ o C($+. $a roca fosfórica de =ayovar tienen una concentración de &7.;: (); teniendo un =($ de DD.D;.
b- Re$)tivi/$/& $a reactividad de una roca fosfórica esta relacionada con la prontitud con la cual una roca reacciona %cambia su estructura+ en un ambiente determinado %t8cnicamente importante+. $os fabricantes de superfosfato y ácido fosfórico por vía úmeda consideran generalmente ciertas variedades de rocas fosfatadas más reactivas 0ue otras con aspecto de ácidos minerales. #ntes de la acidulación de la roca esta debe estar finalmente de la roca, esta debe estar finamente pulverizada, a fin de asegurar una reacción completa con el ácido. $a velocidad de reacción aumenta con la finura de la molienda, lo 0ue reduce el tiempo del proceso y el tamao del e0uipo re0uerido, por otro lado el pulverizado fino significa mayor inversión y gastos de operación! 'onsecuentemente deberá escogerse el grado de finura 0ue de un balance económico entre los factores principales antes mencionados %según el tipo de roca y los re0uisitos del proceso el grado de tintura varía entre el 5;: del material 0ue pase por malla 477 y el D;: 0ue pase por malla 77, sobre una base Cyler+. (or otro lado la roca se aplica como abono, directamente a la tierra, es indispensable conocer su reacción con el ( de los suelos donde será aplicada. $os disolventes
usados en pruebas de laboratorio para determinar la calidad del fosfato fertilizante aprovecan la reactividad de la roca, entre estos disolventes tenemos, solución de citrato de amonio neutra, solución de ácido cítrico al : y solución de ácido fórmico al :. #lgunas rocas fosfóricas pueden contener aceites residuales de flotación en cantidades suficientes para ocasionar la formación de espuma en el proceso de acidulación, trayendo como consecuencia el mayor consumo de ácido y la disminución deL la reactividad de la roca, a menos 0ue se tomen las providencias del caso.
)- !#$"0%3et#*$& #nálisis granulom8tricos efectuados por la 'olorado Scool >esearc -oundation, indican 0ue la mayor parte D5: del fosfato de =ayovar presenta en su forma natural partículas entre 4; y 4*5 micrones y 0ue en un 5;: de las partículas se encuentran entre 47 y <* micrones, siendo así el producto de una composición granulom8trica aceptable.
/- S%0bi%i/$/& $a solubilidad de los fosfatos naturales se determina generalmente en base a extracciones con soluciones neutras de citrato de amonio, soluciones alcalinas de citrato de amonio y solución al : de ácido cítrico. En el (erú la solubilidad está regida por el porcentaje de fósforo soluble en agua más, fósforo soluble en solución neutra de citrato de amonio.
e- Ve%)i/$/ /e Di'%0)i8"& $a velocidad de disolución de las rocas fosfatadas depende el medio de disolución, del tamao de sus partículas y la estructura de su superficie.
C3('i)i8" 60*3i)$ /e %$ R)$ F'+8#i)$ /e B$v$# :();
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De')#i()i8" /e% :)i/ S0%+;#i) C")e"t#$/ El ácido sulfúrico concentrado es una materia prima importante en la 2ndustria del -ertilizante ya 0ue mediante sus características y propiedades reaccionantes con la roca fosfórica se obtiene Superfosfato de 'alcio Simple. El ácido sulfúrico se fabrica en la industria por!
M
M
P#(ie/$/e' /e% A)i/ S0%+;#i) -
Es el ácido de mayor importancia industrial y se presenta como un lí0uido incoloro, viscoso y de muy peligroso manejo.
-
$a densidad del ácido sulfúrico a temperatura de 4;F' es de 4.6&;< gHcc.
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El punto de ebullición del ácido sulfúrico de 56.;; es de &&7F'.
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El punto de fusión del ácido sulfúrico es de 47.&;F'.
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El ácido sulfúrico es un agente desidratante muy poderoso, el 0ue al verse mezclado con el agua produce una reacción exot8rmica liberando calor.
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El calor de disolución en D partes de agua es de 4**5< caoloríasHmol9g.
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El ácido sulfúrico en disolución se encuentra totalmente ionizado.
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$a acción corrosiva del ácido sulfúrico concentrado es mínimo ya 0ue en concentraciones elevadas no tienden a formar sulfatos, por lo tanto se le puede almacenar en recipientes cerrados de fierro acerado ya 0ue el ierro es resistente a los ácidos concentrados.
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'uando se le diluye con agua se incrementa la acción corrosiva produciendo una reacción exot8rmica 0ue ataca fácilmente al ierro.
-
En el almacenaje del ácido diluido tiene 0ue tenerse en consideración su alto poder corrosivo para esto es necesario 0ue los tan0ues de almacenaje est8n forrados con plomo ya 0ue el plomo es resistente a los ácidos diluidos del orden del <7: de concentración a temperatura entre D7F' a 67F'.
-
El ácido sulfúrico concentrado comprado para el tratamiento de la >oca -osfórica reúne las siguientes características!
'olor CF "ensidad 'oncentración
'entromín (erú
@inero (erú
2ncoloro 4;F' 4.6*4 956.4 M 56.&
2ncoloro 7F' 4.6&D 5<.5 a 56.
)- De')#i()i8" /e% P#)e' Se somete a la roca fosfórica a una operación de molienda, 0ue permite detener partículas 0ue pasan por la malla 77. "ica molienda se ejecuta en un molino de bolas, en donde se carga la materia prima, 0ue una vez molida, pasa a un ciclón en donde se separan las partículas finas de las gruesas, siendo estas últimas recirculados al molino. $as partículas finas son transportadas mediante una faja transportadora acia un dosificador, en donde se pesa la cantidad de roca a tratar en el reactor. El ácido sulfúrico proviene del tan0ue de almacenamiento en donde previamente se efectúa la dilución del 56,;: al 6:, es transportada mediante dos tuberías al reactor, en donde se efectúa el contacto en paralelo con la roca fosfórica.
El reactor es de forma rectangular, con una base móvil accionada con rodillo giratorio 0ue permiten el transporte del producto a la zona de descarga del reactor, de donde es llevado a trav8s de una faja transportadora al cuarto de almacenamiento.
C"/i)i"e' /e% (#)e'. $a reacción entre la roca fosfórica y el ácido sulfúrico es no isot8rmica, así la temperatura por efecto del calor de reacción sube a más de 477F' necesario para el buen desprendimiento de /- de la masa reaccionante. $a temperatura baja por debajo de los 477F' y el producto está saliendo a un promedio de <7F'
A%3$)e"$je 3$/0#$)i8" /e% (#/0)t '0(e#+'+$t 'i3(%e. El producto terminado el llenado por la faja transportadora del reactor acía el S2$) construido de ormigón, y de gran capacidad de almacenaje. En este lugar, permanece el producto en reposo algunos días para 0ue finalice y se complete la reacción con la consiguiente disminución de la acidez libre controlada.
/- Di'e /e P#)e' I"/0't#i$% $a fabricación del Superfosfato de 'alcio es esencialmente un
proceso
0uímico en el cual es necesario 0ue el ácido y la roca .de fosfato se mezclan íntimamente y totalmente para asegurar una completa acidulación de la fosforita y su máxima conversión a formas útiles de fosfato. $a fosforita no es 0uímicamente puro., o demás del contenido de fosfato tricálcico 'a &%()*+ y flúor, la mayoría. "e las fosforitas contienen una cierta cantidad de materia. )rgánica silicio y silicatos ierro y óxido de aluminio. Canto en el estado libreo como fosfatos y algunos carbonatosL y además de trazas de mucos elementos 0uímicos., algunos de los cuales pueden proveer de nutrientes esenciales a las cosecas. $a velocidad de la reacción entre la roca fosfórico. N ácido sulfúrico en la. (roducción del superfosfato está gobernada por cinco factores! 4.9 $a naturaleza de la roca fosfórica .9 El grado de fineza a la cual es molida. &.9 $a concentración del ácido sulfúrico! *.9 $as proporciones en el cual el ácido y la roca son mezclados, la cual puede estar dado en "?S. de ácido sulfúrico puro por 477 "?S. de rocaL y ;.9 $a temperatura de la reacción. $a. fosforita constituye el material más importante entre los compuestos usados corno fuentes de fósforo para los propósitos de fertilizantes. 1o es un compuesto puro de fosfato cálcico. El componente principal es la fluorapatita. Oue tiene la fórmula 0uímica. &'a&%()* +.'a-
'a47%()* +D-
El re0uerimiento de ácido sulfúrico para el tratamiento de las >ocas de =ayovar y la obtención de un Superfosfato de 7.7: de ( );, debe de ser de D;;.<* gr. "e >oca .-osfórica de =ayovar con una concentración de &7.;: de ( 7; y &**.D g. de ácido sulfúrico al 56.;: a temperaturas de 7 P' obteniendo de esta @anera 4777 g. "e Superfosfato de calcio simple.
Re$))i"e' 60*3i)$' e" %$ F$'e A)i/0%$"te $as reacciones 0ue ocurre realmente en la @ezcladora y celda. &%'a&%()*++'a-G
&%'a%/()*++G<'aS)* G /- %4+
$a reacción %4+ involucra. "os pasos los cuales se cree. 0ue ocurren simultáneamente, con algo de ácido fosfórico produci8ndose en el proceso! &%'a&%()*++'aI G 47/S7*
D/&()* G 47'aS7* G /I %+
El ácido fosfórico libre %/ &()*+ reacciona. #l mismo tiempo con la roca de fosfato remanente para dar fosfato monocalcico! &%'a&(7*+'aI G 4*/&()*
47'a%/()*+ G /
%&+
$uego. las reacciones %+ y %&+ producen, en efecto! &%'a&%()*++'aIG
&'a%/()*+G<'aS)* G /I %*+
$a reacción %*+ es la misma 0ue la %4+, con la diferencia 0ue I es usado para representa -9,%)/9 + Q '7K, Si-*9 , en la red de la apatita Esta es llamada la reacción generalizada para tener en cuenta en cual0uiera o todos los componentes de la apatiíta. (uede ser pertinente remarcar a0uí 0ue la. reacción %+ es involucrada. en e4 proceso de producción de ácido ortofosfórico por el llamado Rm8todo secoR la. reacción %!&+ en el proceso de obtención del superfosfato triple. $a reacción %*+ puede ser considerada. $a ecuación estándar en el proceso de acidulación para la producción del superfosfato normal.
S0%+$t /e C$%)i %' O#t+'+$t'. 'onsiderar la. >eacción %*+ la. (resencia del sulfato de calcio 'uando el fosfato tricalcico reacciona con el ácido sulfúrico. Se forman el sulfato de calcio y el fosfato monocalcico. El volumen de sulfato de calcio en un superfosfato normal está presente como anidrita. 'aS7 * y una pe0uea cantidad esta en la forma de yeso 'aS7*./7, semiidratado 'aS7 *.4H/7.
sulfato de calcio diidratado o como
El fosfato monocalcico está presente mayormente como monoidratado cristalino 'a%/(7*+. /7. Este compuesto pierde su agua. de cristalización si es calentado lentamente a 467 P' %&;D P-+ . # la temperatura de 4;7 %&7 P'+ se produce la anidritta 'a%/(7*+ al perder algo de su agua de constitución resulta la formación del pirofosfato de calcio 'a/ ()<. 'alentando el pirofosfato a temperaturas más altas causa la. (8rdida de mas agua de constitución, resultando la formación del metafosfato de calcio. $as reacciones generales pueden ser representadas como siguen! 'a%/()*+ . /) G calor
'a.%/()*+ G /)
%;+
'a%/()*+ G calor
'a/()< G /)
%D+
'a/()< G calor
'a%()& + G /7
%<+
ESTE6UIOMETR=A DE LA REACCIÓN DEL PROCESO $as reacciones 0uímicas 0ue ocurren durante el mezclado, enceldado, y almacenamiento an sido estudiadas por mucos europeos! (arris y )gilvie, Stevenius91ilesen, Safource, 1ordengren, @eppen, 1umm y "ee, y mucos otros 0ue pueden ser citados. (arris y )lgive dividen las reacciones dentro de tres etapas o procesos, como sigue! %4+ &'a&()&GD/S)* 99999999> */&()*G'a&()&GD'aS)* %+ */&()*G'a&()& 999999999> &'a%/&()*+ %&+ a. &'a%/()*+G&/) 99999> &'a%/()*+. /) b. D'aS)* G 4/) 999999999> D'aS)* . /) Ellos apuntan 0ue estas reacciones no ocurren consecutivamente, ni 0ue ellas representan precisamente lo 0ue ocurre, ni 0ue las reacciones proceden asta la terminación. $a reacción %4+ puede completarse por sí misma, pero las reacciones %+ y %&+ son esencialmente reacciones de tiempoT 0ue proceden bien lentamente, y están acompaadas por la solidificación, y secado de la masa en la celda. Sanfource da la siguiente explicación! Si la roca fuera un fosfato tricalcico puro finamente dividido, la reacción simple y representada como sigue! 'a&%()*+G/S)* 99> 'a%/()*+ G 'aS)* %4+ $a actual situación puede, sin embargo, ser considerada como una compresión de dos reacciones separadas 0ue ocurre simultáneamente, de acuerdo a olb, cuya teoría sobre esto fue confirmada por análisis ecos sobre muestras tomadas en períodos sucesivos de la reacción. Esto puede ser representado como sigue! %4+ El ácido primero ataca cerca de los dos tercios de la roca y forma ácido fosfórico! H& 'a&%()*+G/S)* 999> *H& /&()*G'aS)* %+
%+ El ácido fosforico luego ataca al remanente de la roca! 4H& 'a&%()*+ G *H& /&()* 99>'a%/()*+ %&+ $a reacción %4+ puede ser considerada monomolecular, desde 0ue el fosfato es insoluble. @eppen reporta 0ue Sanfource no cree 0ue la sal doble 'a/() *, 'aS)*.*/) es formada, por0ue 8l dice 0ue no se a probado esto, si una cantidad insuficiente de ácido actúa sobre el fosfato tricalcico, y el fosfato dicalcico es formado. "e acuerdo a la ecuación %4+, dos mol8culas de ácido son necesarias para 0ue reaccionen con los tros constituyentes del fosfato. $a práctica usual en la industria es agregar más ácido 0ue el 0ue es mostrado en la ecuación, no solamente para asegurar una acción efectiva del ácido sino tambi8n para evitar la idrólisis del fosfato monocalcico 0ue puede resultar en la formación de algo de fosfato dicalcico y ácido fosfórico. @eppen cita un exceso de algo del 7 por ciento. # pesar de este exceso de ácido, la reacción parece nunca completarse debido a la capa de partículas gruesas de la roca de fosfato con una capa fina de sulfato de calcio. Esta puede ser la razón por la cual es siempre posible encontrar pe0ueas cantidades de fosforita no ataca en el superfosfato. (ara la acción del ácido sobre los otros constituyentes de la fosforita. Sanfource da las siguientes reacciones 0uímicas. 'a- G /S)* 9999> 'aS)* G /-
%*+
'a-G/S)*GSi) 99999> 'aS)*GSi-*G/) %;+ &'a-G&/S)*GSi) 99999> &'aS)*G/Si-DG/) %D+ $a reacción %*+ ocurre cuando el sílice están ausente y las reacciones %;+ y %D+ cuando el sílice o silicato está presente en una forma 0ue pueda reaccionar con el ácido. @eppen explica 0ue las reacciones 0uímicas entre la roca y el ácido suceden en dos etapas como sigue! En la primera etapa el ácido convierte la proporción re0uerida de roca a sulfato de calcio y ácido fosfórico. "urante la segunda
etapa el sulfato del calcio reacciona con el remanente de la roca para formar fosfato monocalcico monoidratado. Estas son las ecuaciones de reacción! 'a;%()*+&. )/G ;/S)* 9999> &/&()*G;'aS)* G /)
%<+
'a;%()*+&.-G47/S)* 99999> D/&()*G47'aS)*G/-
%6+
'a;%()*+&.)/G ;'a%/()*+/)
%5+
'a;%()*+&.-G4*/&()*G47/) 99> 47'a%/()*+/)G/- %47+
@eppen da 8nfasis a la importancia del grano fino en la fosforita y de los pesos exactos de la roca y ácido de acuerdo con los re0uerimientos este0uiom8tricos de la ecuación de reacción. El aún previene 0ue los operadores deberían asegurarse de 0ue la acidulación sea rápida y completa, por0ue retardos inibirán la conversión y la masa resultante no se endurecerá completamente. Si la roca tiene una temperatura de 4;P' %;5P-+ y el ácido sulfúrico &7P' %6DP-+ la temperatura de los productos de la reacción alcanzará un valor tan alto como los 47P' %*6P-+ debido a 0ue la reacción es exot8rmica. "e acuerdo a @appen la mejor práctica M ácido sulfúrico frío efectuará una alta proporción de conversión comparada con el ácido calienteL de a0uí 0ue el recomienda de 0ue el ácido no debe estar más caliente 0ue los &7P' %6DP-+ $a reacción %4+ puede ser influenciada para mantener el sentido acia la dereca permitiendo al sulfato de calcio cristalizar continuamente. Stevenius M 1ielsen cree 0ue el sulfato de calcio precipita más probablemente en la forma de un gel y 0ue inmediatamente despu8s de 0ue la reacción ocurre y la masa está todavía caliente, esta forma gelatinosa de fosfato forma un sol en la forma de microcristales. 'uando este sol se enfría, cambia gradualmente a un gel sólido. $a condición 0ue favorece la rápida gelación del sulfato es un arreglo adecuado de los cristales en conjunción con la absorción del agua de la superficie. El calor acelera esta trasmutación, y desde 0ue la reacción es exot8rmica, es visto por 0ue la acción es favorecida al comienzo.
@eppen no está de acuerdo con a0uellos, como Sanfource y Scut, 0ue creen 0ue una capa fina de formas de yeso sobre las partículas de la fosforita por0ue el sulfato formado por la reacción es sulfato de calcio y no una pasta de yeso de (arís, y más aún la solubilidad del sulfato de calcio se incrementa con el incremento de la concentración del ácido sulfúrico. @eppen tambi8n cree 0ue es errado decir 0ue el sulfato de calcio formado por la reacción es responsable del fraguado de la masa de superfosfato. $a naturaleza plástica del superfosfato fresco
formado indica 0ue la reacción toma parte de una
naturaleza 0uímica coloidal y el sulfato no es un yeso, como se anotó previamente. El fosfato monocalcico está presente mayormente en la forma de gel. 1un y "ee estudiaron, a escala de laboratorio, la influencia de varios factores en la velocidad de reacción y la composición del producto resultante de la mezcla de la fosforita y el ácido sulfúrico. $a fosforita usada fue obtenida del depósito ouriga en @arruecos y molido para un D6 por ciento a trav8s de una malla 477 =S. 'on respecto al efecto de la concentración del ácido sobre la roca, encontraron 0ue con cual0uiera de la proporciones usadas %*;, ;7, ;;, o D7 gramos de / S)* por 477 gramos de roca+, el / S)* al <7: dio los mejores resultados con respecto a las concentraciones tratadas %*;, ;;, D7, <7 por ciento para las concentraciones+. 3na alta solubilidad en el agua para el valor total de (); fue asociada con una alta proporción de ácido libre en el producto, tambi8n 0ue, para un porcentaje dado de ( ); total soluble en agua, la acidez libre del producto se elevó bastante cuando la concentración del ácido sulfúrico usado fue menor del <7:. Aun y "ee reportan los resultados de otras series de experimentos y comentan como sigue! @ientras el ácido sulfúrico libre est8 presente una pe0uea cantidad de fosfato monocalcico se forma pero la reacción principal es la formación del ácido sulfúrico %lo cual con la roca de finesa usual de molienda y ácido de concentración del <7:, demora de &7 a *7 minutos+ la formación de ( ); libre de ácido cesa. Este libre de ácido aora forma el *7 a ;7 por ciento de ( );
total
y además la iteracción es entre este y la roca sin cambio previo,
principalmente para formar fosfato monocalcico. Esta reación gradualmente pierde velocidad y con roca de la finesa usual de molienda y casi un estado estable es alcanzado en & semanas, con proporciones sustanciales de fosfato libre de ácido e insoluble todavía presente. El gradual decrecimiento de la interacción entre el ácido fosfórico y roca de fosfato es mayormente causada por el recubrimiento de los residuos de las partículas originales de la roca con el sulfato de calcio. $a observación visual mostró 0ue el supersulfato estaba úmedo en apariencia y viscoso tanto como proporciones apreciables de / S)* estuvieron presentes. "e eco, parece 0ue el tiempo ideal de retención en la planta, esto es, el tiempo en el cual el producto alcanzará al contador coincidió con la desaparición del ácido sulfúrico. )tras conclusiones 0ue arribaron en estos trabajos fueron 0ue un ácido sulfúrico al <7: reacciona más rápidamente 0ue una de concentración de
BALANCE DE MATERIA Comamos como base de cálculo, la producción actual de la fábrica de fertilizantes 21"3S S.#., la cual es de 47777 gHr de producto úmedo. 'uyo producto óptimo tiene un análisis propuesto en la C#=$# 2 ! A lim entación
!P"O5
=
3#,5
(! Humedad)
P&oduc%o ó$%imo
!P" O5
=
"#
(3,5! Humedad)
Reacción Global : 3[ Ca ( PO ' ) " ]CaF "
+
7 H " SO'
→
3[ Ca( H " PO' ) ] + 7CaSO' + HF
A+B →C+D+E
C$%)0% /e R)$ F'+#i)$ (roducto seco K 5D** gHr de ' y W C + W D
=
".
/'' Kg hr
Por E0%e2uiome %&ia %enemo0 : -C "3' -D
=
3 7
.3 Re solviendo en 1o&ma 0imul%anea %enemo0 : Ca ( H " PO' )
→
CaSO'
W A
=
→
'#/3,.
Kg hr
C
-C -D
3 3 KgA 3 "3'kgC
=
'#/3,. Kg hr
=
555#,)'*+ (&
=
7,/5
Pero 0e %iene una umedad del ! -4O4A
W ROCA
=
=
.,# 7,/5 = 7./',.7 kg hr
kg hr
C$%)0% /e :)i/ S0%+;#i) $% >?.@ W B ( /),5! )
=
ρ B ( /),5! )
=
v B ( /),5!)
=
'#/3,.kg hrC
7 /)kgB 3 "3'kgC
=
'###kg hr
.,)35kg L ".7/,7 L hr
C$%)0% /e %$ D'i+i)$)i8" /e :)i/ S0%+;#i) $% ?2 '### /),5!
=
( '### + W AGUA ) )"!
W AGUA
=
)#',)5kg hr
ρ AGUA
=
O,//)kg L
v
=
).',3 L hr
W B ( )"! )
=
'### + )#',)5 = ')#.,7.kg hr
ρ B ( )"! )
=
.,75kg L
v H " SO ' ( )"! )
=
"7'3,)3 L hr
C$%)0% /e% +%0j /e% $' #ntes de pasar a los cálculos, observemos lo siguiente! H " SO'
+
CaS "
' HF + SiO" 3SiF '
+
→
→
' H "O
CaSO'
SiF '
→
+
+
" HF
" H "O
SiO" 6" H "O + " HSiF
(.) ( ") ( 3)
Se observa 0ue a partir de la ecuación %4+ se produce los componentes fluorados de la reacciones %+ y %&+, por lo tanto para la simplificación de los cálculos y por falta de datos experimentales, obviaremos las reacciones %+ y %&+ en el =alance de @ateria.
W HF
=
'#/3,.kg hrC
. ."#kg
=
3 "3'kgC
..,.kg hr
El peso delos otros gases tales como el "ióxido de 'arbono, vapor de agua entre otros se calculará a trav8s de un balance global.
-H "O ' ( )"! ) − -H
-GAE
=
-ROCA
-GAE
=
.'. *+ (&
+
−
-PROD8C4O H89EDO
DIA!RAMA DE BLO6UES ROCA :O7:OR;CA BR84A (! H89EDAD)
4A><8E DE H"7O' (/,5!)
TAMQUE DE AGUA
*777 UgHr 64; $Hr 67; UgHr
<45* gHr
4<6 $Hr 4A9<8E DE 9E=CADO H"7O' ("!)
D<6D gHr
ROCA FOSFORI CA MOLI DA MALL A 200
SECADOR
*67 UgHr <** $Hr
47777 UgHr %&,;D: agua+
REACTOR TANQUE DE ALMACENAMI ENTO
DEN
C)>>E "E 44< UgHr /4*4D otros gases
$#B#")
DIA!RAMA DE PROCESO PARA LA PRODUCCIÓN DE SUPERFOSFATO SIMPLE DE CALCIO
DESCRIPCIÓN DE E6UIPOS $- T%v$ /e A%3$)e"$je /e R)$ 'i" M%e#.5 Es el lugar donde se almacena la >oca -osfórica entera para alimentación al molino de bolas esta se realiza promedio de una faja.
b- M%i" /e B%$' $#/i"e.5 $a función 0ue realiza el @olino de =olas es la de moler la >oca -osfórica a tamao de partículas entre @alla 77 y @alla 77 con un rendimiento en las dos @illas de 5&: a 5D:.
)- C%$'i+i)$/#.5 Es un clasificador de finos 0ue tiene como función clasificar el tamao de partículas de la roca molida. Es un e0uipo 0ue tiene la forma de un cono conc8ntrico con unas aletas móviles y reguladores en la parte superior donde se regula el flujo clasificable de finos 0ue pasan al ciclón principal y el retorno de gruesos regresa al molino para proseguir la molienda. Esta clasificación se realiza debido a la fuerza del ventilador principal.
/- T%v$ Si% /e R)$ F'+8#i)$ M%i/$ )" De')$#$ Mt#.5 $a tolva tiene por finalidad recepcionar la roca molida 0ue ingresa al 'iclón. $a capacidad de la tolva es de ;7 Cn. construida de plancas de fierro de &H4DT. $a Colva de almacenaje tiene en su base un transportador elicoidal de *T diámetro por 4& pies de longitud 0ue da ;77 gHr de transporte de >oca @olida al sector acidulación. Este transportador sinfín funciona por medio de un motor de /(, D amp y 4677 >(@ 0ue ace transmisión a un reductor de 7 a 4.
e- Ci)%8" (#i")i($% /e M%ie"/$ )" Mt#.5 Ciene un ventilador 0ue tiene la función de llevar por gravedad la >oca -osfórica @olida a u n clasificador en el cual los finos pasan al ciclón principal y los gruesos retornan en reciclaje al molino. El ciclón es de 6 pies de diámetro y ; pies de altura la parte cilíndrica y la parte cónica de 5 pies de altura por 6 pulgadas de diámetro de salida del cono. El ciclón tiene la función de
recepcionar la >oca -osfórica molida a una tolva de almacenaje generando presión en el sistema de molienda. El ventilador principal es movido por un motor de &7/(, (@ 0ue realiza transmisión con poleas para mover el ventilador.
+- T#$"'(#t$/#e' e%)i/$%e'.5 Cienen la función de cargar la tolva y reciclar la roca a la tolva de almacenaje de ;7 C@ para evitar 0ue la tolva de 4777 g se tiene. Ciene un motor de &/(, 5.6 amp. y 4677 >(@ y un reductor de 7 a 4 0ue realiza transmisión mediante piones.
- B$%$"4$ F$j$ T#$"'(#t$/#$.9 $a balanza tiene la función de dosificar en forma uniforme a la faja transportadora la >oca @olida y es el e0uipo donde se controla mediante pesos la cantidad 0ue debe dosificar la faja al cono del "E1. $a balanza consta de una tolva de capacidad 4777 g. la faja realiza transmisión llevando la roca de la tolva balanza al dosificador de roca al cono de plomo, conste de un motor de 4. /(, *.4 obtener el tiempo, el peso exacto y obtener la producción oraria.
- E%ev$/# )"i%"e' $%i3e"t$/# /e R)$ F'+8#i)$ M%i/$.5 Ciene como función descargar la >oca @olida de la Colva de almacenaje, 8sta es llevada mediante un transportador elicoidal fin en motor de /( y reductor de 7 a 4 acia el elevador el cual lo transporta mediante cangilones a los dosificados elicoidal para almacenarlos en una tolva de 4777 g.
i- D'i+i)$/# /e% )".5 Ciene como función transportar la roca molida recibido de la faja alimentadora y es transportada mediante un ducto al cono del "E1. El dosificador elicoidal es de 47 C@Hr de capacidad, con un motor el8ctrico trifásico de /(, ;.< amp., 4677 >(@ y realiza transmisión con polea a un reductor de 7 a 4 de potencia nominal & /(.
j- Ve"ti%$/# /e $'e'.5 Ciene la función de realizar succión de los gases consta de un motor el8ctrico trifásico de 4; /(, ** amp. y 4677 >(@ y realiza transmisión mediante poleas y fajas en el eje de la mariposa del ventilador. Su capacidad es de *777 -t &Hmin a condiciones normales y la cajonería es construida de fierro de V de pulgada.
- B$%$"4$ D'i+i)$/#$.5 Ciene como función pesar las formulaciones a dosificarse de superfosfato de calcio simple o de superficie *. Este e0uipo consta de una tolva balanza de capacidad 4777 gr 0ue esta conectada a un transportador elicoidal el 0ue dosifica el producto al elevador. $as pesadas se realizan accionando mecánicamente las palancas de las válvulas de la tolva de cuatro.
%- T#$"'(#t$/# e%i)i/$% Me4)%$/#.5 Ciene como función transportar el superfosfato pesado, mezclándolo y lo lleva al elevador W. Este e0uipo consta de un eje de &T x 6 pies de largo al 0ue está soldado una aleta elicoidal de < pulgadas de diámetro la 0ue transporta el material, este eje es movido por motor de D /(, 45 #mp. y 4677 >(@ 0ue realiza transmisión de poleas con un reductor de velocidad de 7 a 4 de potencia nominal & /(.
3- T%v$ /e A%3$)e"$je /e P#/0)t Te#3i"$/.5 Ciene como función recepcionar el superfosfato de calcio simple o superfluos * en polvo para ser ensacado por medio de una balanza. S3 capacidad de almacenaje es de 4; C@.
CONCLUSIONES
4. En las reacciones en el proceso para la obtención de Superfosfato de 'alcio se producen las siguientes fases de acidulación 0ue es a nivel C8cnico las reacciones 0uímicas más acertadas sobre el proceso del ata0ue de la roca fosfórica y el ácido sulfúrico al inicio y durante el proceso de maduración. $as reacciones 0uímicas son las siguientes H& 'a&%()*+ G/S)* 4H& 'a&%()*+ G *H&/&()*
*H&/&()* G 'aS)*
%4+
→
'a%/()*+
→
%+
%-osfato @onocalcico+ 'a&%()*+ G /S)* G /)
→
'aS)* G Si-* G /) %&+
'a- G /S)*
→
&'aS)* G /Si-e
%*+
'a- G Si) G /S)*
→
&'aS)* G /Si-e G /)
%;+
&'a- G Si) G &/S)*
→
&'aS)* G /Si-e G /)
%D+
-e)& G /&()*
→
-e()* G &/)
%<+
-e()* G &/S)*
→
-e%S)*+& G /&()*
%6+
→
#l%S)*+& G /&()*
%5+
#l()* G &/S)*
→
'aS)* G ') G/)
%47+
'a')& G /S)*
→
1aSi-e G /)
%44+
1a) G /Si-e
→
Si-e G /)
%4+
) G /Si-e
→
Si-e G /)
%4&+
#l)& G &/&()*
. 2nicialmente la roca fosfórica tiene fósforo soluble en agua de 7.7: de ();, observamos 0ue despu8s de la reacción 0ue se produce en la mezcla roca fosfórica molida y ácido sulfúrico diluído al <7:.
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