1. RECURSOS NATURALES EXPLOTACIÓN
ORGÁNICOS,
POTENCIALES
DE
Materia Prima (Rocas fosfóricas). Se denomina roca fosfórica al producto obtenido de la extracción de una mina y del procesamiento metalúrgico subsiguiente de los minerales fosfatados. Además del mineral fosfatado principal, los depósitos de roca fosfórica también poseen minerales accesorios e impurezas llamados «ganga». Si bien cantidades importantes de los minerales accesorios y de las impurezas son eliminadas durante el proceso de beneficio, el mineral beneficiado siempre contiene algunas de las impurezas originales. Tales impurezas incluyen sílice, minerales arcillosos, calcita, dolomita y óxidos hidratados de hierro y aluminio en diversas combinaciones y concentraciones, algunos de los cuales pueden tener una influencia profunda en la eficiencia de la roca fosfatada utilizada para la aplicación directa. Roca fosfórica es el nombre común comercial de unos 300 fosfatos de diferentes calidades en conocidos en el mundo. Las rocas fosfóricas pueden ser utilizadas ya sea como materia prima para la fabricación industrial de los fertilizantes fosfatados solubles en agua o bien como fuentes de fósforo para la aplicación directa en la agricultura.
Cuadro: Producción de Roca fosfórica (año 1999) Producción Países toneladas Brasil 4301 México 955 Venezuela 366 Perú 15 Colombia 4
1000 Total mundial % 2.9 0.7 0.3 aprox 0.1 aprox 0.1
2. DEFINICIÓN ORGÁNICO
OPERACIONAL
DEL
PROCESO
INDUSTRIAL
El objeto a estudiar será el Ácido Fosfórico. El ácido fosfórico de 100% es una masa blanca cristalina, pero es tan fuertemente higroscópico y tan fácilmente soluble en agua que absorbe la humedad del aire y se disuelve. El ácido fosfórico es un ácido semifuerte y no toxico. El ácido fosfórico (orto- fosfórico) se obtiene por combustión de fosforo blanco con aire por medio del quemador de fosforo (para dar pentóxido en una cámara de combustión. La mayor parte del pentóxido de fosforo en la cámara de combustión se disuelve en este ácido fosfórico diluido, que se concentra así hasta el 85% y se recoge en 18%. Se puede producir también ácido fosfórico por un ―método húmedo‖ más antiguo. Según este método, que todavía es objeto de numerosas patentes, el ácido se obtiene directamente de los fosfatos por reacción con ácidos minerales como el sulfúrico. En esencia, el método se funda en la conversión del fosfato cálcico terciario en ácido fosfórico y sulfato de calcio: (
)
Este ―ácido fosfórico húmedo‖ no es tan puro como el obtenido del fosforo blanco. Directamente no se puede obtener en concentración superior a 30-40% y es preciso concentrarlo por evaporación.
3. PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS, TERMODINÁMICAS Y AMBIENTALES DE LOS MATERIALES POTENCIALES DE PROCESAMIENTO INDUSTRIAL INRGÁNICO SELECCIONADO
Ácido Fosfórico Estructura Química
Fórmula química: Nombre Comercial: Ácido Fosfórico Nombre Químico: Acido Orto- fosfórico Familia Química: Acido Inorgánico Información DOT: Corrosivo, Clase 8 Otros Datos: Uso industrial. Estado Físico: Líquido Olor: Inoloro Color: Verde, ámbar ó incoloro PH: 1.0 a 1% w/w
Temperaturas características:
Cristalización: De - 21 a –17 °C Temperatura de descomposición (°C): No aplica Ebullición: 135 a 160°C Presión crítica: No aplica Punto de clarificación: No aplica
Presión de vapor: 2.1 - 5.7 mmHg a 20°C(68°F) Propiedades comburentes: No es comburente Densidad: 1.50-1.68 g/cm3 Límites de explosividad en el aire: No es explosivo Peso molecular: 98 g/gmol. Solubilidad: En el agua: Soluble En solventes orgánicos: No es soluble Viscosidad dinámica: 23–46 cp (centipoises) a 20°C
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS Este compuesto puede presentarse en diferentes estados físicos dependiendo de la temperatura y de su pureza. A 20 °C, el ácido fosfórico a una concentración entre 50 y 70% es un líquido transparente móvil; a una concentración de 85% es un líquido viscoso transparente incoloro o ligeramente amarillento; y a una concentración del 100% es un sólido higroscópico e inestable, formado por cristales ortorrómbicos. No tiene olor. Su punto de ebullición es igual a 213 °C y su punto de fusión de 42.35 °C. Su densidad específica es de 1.8741 g/cm3 a 25 °C y su pH de 1.5. Es muy soluble en agua caliente (548 g/100 mL). Su presión de vapor es igual a 4 Pa (0.0285 torr) a 20 °C. Su pH es de 1.5. Forma tres tipos de sales: fosfatos primarios, dibásicos y tribásicos. Actúa como un agente quelante. Corroe a los metales ferrosos y a sus aleaciones. Reacciona con los metales para formar hidrógeno gaseoso inflamable. Se descompone a temperaturas por debajo de su punto de ebullición y al contacto con alcoholes, aldehídos, cianuros, cetonas, fenoles, ésteres, sulfuros, mercaptanos y compuestos orgánicos halogenados. Cuando se quema forma vapores tóxicos de óxidos de fósforo.
PROPIEDADES AMBIENTALES Puede transportarse en el aire en forma de neblina. Cuando es liberado en el suelo, puede disolver algunos de los minerales, en particular los carbonatos. Su acidez es neutralizada en cierto grado por la adsorción de los protones (H+) a las partículas; sin embargo, cantidades significativas de ácido permanecen libres y pueden lixiviarse hasta el manto freático (sobre todo cuando está diluido porque es menos viscoso), en el cual se mueven siguiendo la dirección del flujo del agua subterránea. Forman una pluma de contaminación que, con el tiempo, dispersa y diluye la concentración de ácido. Los fosfatos también quedan adsorbidos en el suelo. Cuando es liberado en los cuerpos de agua natural, su acidez (H+) es neutralizada por los minerales disueltos responsables de la dureza del agua, pero los iones fosfato pueden persistir indefinidamente. No se espera que los fosfatos se bio-acumulen en la mayoría de las especies acuáticas.
4. DESCRIPCIÓN DE LOS DIFERENTES MÉTODOS O TECNOLOGÍAS RECIENTES DE INDUSTRIALIZACIÓN DEL RR NN OS ELEGIDO PARA EXPONER SELECCIÓN DEL MÉTODO.
El ácido fosfórico, se pueden obtener por dos métodos: Via Seca: Formación del ácido a partir de fósforo elemental. Este consta de los siguientes pasos: 1. Combustión del Fósforo
2. Hidratación del P2O5 resultante:
3. Recogida de los humos. Precipitador electroestático Vía Húmeda: Existen a nivel mundial varias tecnologías para esta variante de obtención de H3PO4. • Rhone Poulene: consta de 1 reactor con agitador central y con baffles, existe una adición de H2SO4 en diversos puntos a través de dispersión. No posee sistema de recirculación. • Prayon: consta de un único reactor dividido en tres diferentes secciones. Consta con varios agitadores en cada sección y la adición de H2SO4 normalmente se realiza en las 2 primera secciones. • Siape: se recomienda para rocas de alto contenido de carbonatos donde se utiliza la emisión de CO2 como medio de agitación y conducción de fluido. Consiste en un reactor con un cilindro interno donde se adiciona el H2SO4, acido de reciclo y la roca.
5. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRINCIPAL, ENTRADA, PROCESO, PRODUCTO.
Molienda: Su función es el de disminuir el tamaño de los cristales de roca fosfática. En donde se debe tener un control del tamaño de la partícula. Reacción: En los 3 reactores colocados en conjunto, ocurre la reacción en donde se transforma la roca fosfática en ácido fosfórico al reaccionar con el ácido sulfúrico y agua. En donde la reacción principal es: (
)
Esta reacción se realiza en 2 etapas 1. Fosfato Monocálcico (
)
(
)
2. Lodo de Reacción (
)
Los gases generados en la reacción están formados principalmente por tetrafluoruro de sílice el cual reacciona con agua para formar ácido fluorsilicico en solución y oxido de sílice. Los gases generados en la reacción están formados principalmente por tetrafluoruro de sílice el cual reacciona con agua para formar ácido fluorsilicico en solución y oxido de sílice.
El agua rociada dentro del sistema del venturi (lavado de los gases y extracción a la atmósfera), reacciona con los compuestos fluorados, reduciendo la emisión a la atmósfera. Filtración: Consiste en separar el lodo proveniente de reacción, en yeso dihidratado y ácido fosfórico del 28% de Tratamiento Químico: Se efectúa un tratamiento químico al ácido fosfórico a fin de hacerlo apto para el consumo de la planta de polifosfatos. Decantación: Se pasa a un decantador para poder separar el ácido fosfórico de los demás componentes presente en la corriente. Evaporización: Se evapora la solución para aumentar la concentración de ácido fosfórico producido de 28% P2O5 hasta una concentración deseada de 54% P2O5. Almacenamiento: Por último se almacena el fluido en los tanques correspondientes.
PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO
EXTRACCIÓN YACIMIENTO DE ROCA FOSFÓRICA
REDUCCIÓN DE TAMAÑO
CLASIFICACIÓN
H2SO4
R1 PREPARACIÓN DE LA PULPA
DILUCIÓN
H3PO4 + H2O
(A)
( c ó d)
(a)
SOLVENTE
R 2
(A)
(b)
FILTRACIÓN
DIGESTIÓN
SEDIMENTACIÓN
EXTRACCIÓN POR SOLVENTES
(B)
SOLVENTE SUCIO YESO LIMPIO
LAVADO
R 4
SOLVENTE LIMPIO RECUPERACIÓN DEL SOLVENTE
AGUA DE LAVADO
H2O
(a)
R 5 IMPUREZAS
(b)
(c) R7
(B)
FILTRACIÓN
R6 IMPUREZAS
ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 36%
EVAPORACIÓN
(d) ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 50-80%
8. MODELOS Y/O REACCIONES QUÍMICAS ESPECÍFICAS QUE IDENTIFICAN AL PROCESO INDUSTRIAL INORGÁNICO ELEGIDO
(
)
Etapas: 1. Fosfato Monoclínico (
)
(
)
2. Lodo de reacción (
)
9. REACCIONES QUÍMICAS GENERALESDERIVADAS DE AS ESPECÍFICAS CON INFLUENCIA PARA OTROS PROCESOS DE INTERES INDUSTRIAL Un compuesto que se obtiene en proporción equivalente a la sal fosfórica es el óxido de calcio que en presencia de ácido sulfúrico se obtiene sulfato de calcio.
12. TECNOLOGIA DE PURIFICACION DEL PRODUCTO PRINCIPAL A OBTENER Mediante el Proceso Húmedo para la obtención de Ácido, podemos obtener a partir de la denominada ―Piedra Fosfórica‖, el ácido fosfórico respectivo, utilizado en la fabricación de fertilizantes a nivel industrial. Sin embargo, este producto final no es obtenido de manera pura; presenta impurezas las cuales son arrastradas en la corriente de salida del reactor, por lo que es necesario un proceso de PURIFICACIÓN para separar las impurezas del ácido, que es producto deseado
Filtración: Consiste en separar el lodo proveniente de reacción, en yeso dihidratado y ácido fosfórico aproximadamente del 36% de pureza. Tratamiento Químico: Se efectúa un tratamiento químico al ácido fosfórico a fin de hacerlo apto para el consumo de la planta de polifosfatos (en el caso de la fabricación de fertilizantes) Decantación: Se pasa a un decantador para poder separar el ácido fosfórico de los demás componentes presente en la corriente. Evaporización: Se evapora la solución para aumentar la concentración de ácido fosfórico producido, de 36% hasta una concentración deseada de entre 50-80%
Almacenamiento: Por último se almacena el fluido en los tanques correspondientes
De manera sencilla, y con un porcentaje de pureza casi igual, podemos obviar algunos pasos y esquematizar el proceso de purificación de la siguiente manera:
Figura 1. Diagrama de Bloques simplificado para el proceso de purificación deL Ácido
Fosfórico
13. CINÉTICA Y TERMODINÁMICA DE LA REACCIÓN PRINCIPAL La influencia de la temperatura sobre la conversión no es tan marcada. (1) Del estudio cinético realizado (J GARCÍA, 1999) se concluye que existe un predominio de las etapas físicas en el control de la velocidad global del proceso, sin soslayar el efecto combinado de las etapas químicas y físicas, corroborando lo anterior por el estudio de la influencia de la temperatura y el radio de partículas.
14. IMPACTO AMBIENTAL DE LOS MATERIALES USADOS, ELABORADOS Y LA PROPUESTA DE MITIGACIÓN Restos de Ácido Fosfórico Puede transportarse en el aire en forma de neblina. Cuando es liberado en el suelo, puede disolver algunos de los minerales, en particular los carbonatos. Cantidades significativas de ácido permanecen libres y pueden lixiviarse hasta el manto freático (sobre todo cuando está diluido porque es menos viscoso), en el cual se mueven siguiendo la dirección del flujo del agua subterránea. Cuando es liberado en los cuerpos de agua natural, su acidez (H+) es neutralizada por los minerales disueltos responsables de la dureza del agua, pero los iones fosfato pueden persistir indefinidamente Es un constituyente natural de muchas frutas y sus jugos. Es tóxico para peces, en concentraciones subletales reduce la actividad de nado de estos organismos. Produce efectos tóxicos agudos y crónicos moderados en la vida acuática en cuerpos de agua con baja alcalinidad. A concentraciones del 15 a 20% destruye el follaje de las plantas, incluyendo a chícharo, frijol, betabel, canola y malezas. Tiene actividad fungicida, herbicida y microbicida. 15. APLICACIÓN Y FINES DEL PRODUCTO ELABORADO Y TRATAMIENTO DE DESPERDICIOS
El ácido fosfórico es un ácido mineral que se utiliza para acidificar alimentos y bebidas tales como refrescos de cola. Es conocido por dar estos alimentos procesados y bebidas un sabor agrio o amargo. El ácido fosfórico también se utiliza como una solución de ataque en la odontología y la ortodoncia para la limpieza y rugosidad de las superficies de los dientes.
16. IDENTIFICAR CASOS PROBLEMÁTICOS DE INTERÉS INDUSTRIAL En Equipos
Mantenimiento de una adecuada Temperatura de Agua de Lavado (Elevadas Temperaturas pueden derivar en detonaciones por la inflamabilidad de los gases del ácido fosfórico) Sedimentación de sales y productos secundarios en el equipos (Yeso dihidratado Resultante) Corrosión producto de materias en las corrientes (Principalmente ácido sulfúrico presentando alto grado de acidez conforme aumenta la temperatura de operación)
A nivel de Eficiencia
Control de la cantidad de Alimentación al Evaporador (Para la Óptima eficiencia) Óptimo espesor de la Torta de Filtración Mantenimiento de un adecuado Caudal de Agua de Lavado Óptimas condiciones de Temperatura y Presión para el Evaporador
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Sección de Procesos y Tecnología
PROCESOS INDUSTRIALES INORGÁNICOS (PII)
Avance de trabajo de investigación: Producción de Ácido Fosfórico
EQUIPO DE TRABAJO
N° 1 2 3 4 5 6
APELLIDOS Y NOMBRES
CT
EVALUADO POR Dr. PEDRO QUIÑONES PAREDES 02—05—2014
CE
CR
NP
