UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Sección de Procesos y TecnologíaPROCESOS INDUSTRIALES INORGÁNICOS (PII)PROCESO DE FABRICACIÓN DEL ÁCIDO SULFÚRICO

EQUIPO INVESTIGADOR DE TRABAJO:

EVALUADO POR: Dr. PEDRO QUIÑONES PAREDES 12 de mayo del 2016

Nº

Apellidos y nombres CT CE CR NP

1234

ROCAS FOSFORICAS

• Roca fosfórica también llamada roca forforitica es el nombre común comercial de unos 300 fosfatos de diferentes calidades conocidas en el mundo. En otros tipos de yacimiento la fosforita aparece, junto con silicatos y carbonatos de calcio y otros metales, formando grandes piedras duras en oclusiones irregulares del terreno.

• La fosforita es una variedad amorfa de los apatitos, cuya composición responde aproximadamente a la formula Ca5(PO4)3X, pudiendo ser X = F-, Cl-.

• El producto principal derivado de la roca fosforitica es el ácido fosfórico, que se produce masivamente por ataque directo de aquella con otro acido mas fuerte: sulfurico, clorhidrico o nitrico. Su riqueza se expresa mediante el contenido teorico de fosfato tricalcico puro (Ca3(PO4)2)

1. RRNN inorgánicos potenciales de explotación H3PO4

Potencialidades de explotación

Principales yacimientos mundoEEUU , China, Marruecos, Rusia, Túnez, Brasil, Perú, Finlandia, Noruega, Suiza, Jordania, Israel.

En Perú el yacimiento de Bayóvar, en la Región de Sechura, bajo la administración de la compañía Brasileña Vale Do Rio Doce, siendo unos de los más importantes depósitos de la Región Andina.

2. Definición operacional del proceso en estudioSe obtiene mediante el tratamiento de rocas de fosfato de calcio con acido sulfurico,filtrando posteriormente el líquido resultante para extraer el sulfato de calcio. Otro modo de obtención consiste en quemar vapores de fósforo y tratar el óxido resultante con vapor de agua. 

Para producir ácido fosfórico, los principales criterios para la roca son:

-Contenido en P2O5 - Contenido en CaO- Contenido en SO3 - Fluor- Cloruros - Sílice- Al2O3 - Fe2O3- MgO - Carbonatos- Materia orgánica - Molturabilidad- Reactividad - Formación de espumas

3. Propiedades físicas, químicas y ambientales del H3PO4

PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICASPeso molecular: 98 g/gmol.Densidad: 1.50-1.68 g/cm3Punto de fusión: 42.35 °C Punto de Ebullición: 135 a 160°CPH: 1.0 a 1% w/wPresión de vapor: 2.1 - 5.7 mmHg a 20°C(68°F)Viscosidad dinámica: 23–46 cp (centipoises) a 20°CEstado Físico: Líquido Olor: InoloroColor: Verde, ámbar ó incoloro.En el agua: Soluble (548 g/100 m)En solventes orgánicos: Insoluble

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.

•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.

4. Descripción de los métodos de obtención del H3PO4 El ácido fosfórico, se pueden obtener por dos métodos:1. 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

Cámara de combustión

Cámara de hidratación Precipitador

Fósforo Acido Fosfórico2. VIA HUMEDA (MÉTODO A EXPLICAR)

5. Descripción de proceso principal, entrada, proceso y producto

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

Primera etapa: Molienda

Control del tamaño del cristal

Muy gruesos: quedaría roca sin atacar por efectos del tiempo de residencia en los reactores y la formación de capas de yeso sobre la superficie de la roca que impedirían la reacción completa.

Muy finos: alterarían el equilibrio por formación de cristales irregulares a focalizarse zonas de alta acidez libre y otras bajas.

Almacén

Su función es el de disminuir el tamaño de los cristales de roca fosfática.

Segunda etapa: ReacciónSu función es la de producir ácido fosfórico a través de la roca fosfática y el ácido sulfúrico

Reacción Principal que se lleva a cabo en el proceso

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 + 6H2O

3CaSO4 . 2H2O + 2H3PO4

1. Fosfato Monocálcico

Esta reacción e realiza en dos ETAPAS

Ca3(PO4)2+ 4H3PO4 3Ca(H2PO4)2

2. Lodo de Reacción

3Ca(H2PO4)2 + 3H2SO4+ 6H2

3CaSO42H2O + 6H3PO4

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.

Segunda etapa: Reacción

tercera etapa: filtracionTiene como objetivo Separar el lodo proveniente de reacción, en yeso dihidratado y ácido fosfórico del 28% de P2O5

Reactor

Variables del proceso: •Espesor de la torta del filtro.• Caudal de agua de lavado.• Temperatura del agua de lavado.

Pre-tratamiento

Temperatura Acidez sulfúrica libre

(69-72)ºC

(34-40)ºC

(30-35) g/L

(10-11) g/L

Cuarta etapa :Tratamiento Químico: Se efectúa un tratamiento químico al ácido fosfórico a fin de hacerlo apto para el consumo de la planta de polifosfatos.

Quinta etapa :Decantación• Se pasa a un decantador para poder separar el

ácido fosfórico de los demás componentes presente en la corriente.

• Sexta etapa evaporacion• Tiene como objetivo Aumentar la concentración de ácido

fosfórico producido de 28% P2O5 hasta una concentración deseada de 54% P2O5Condiciones operativas

•Presión y temperatura del vapor saturado:130 psi y 180ºC. •Temperatura del ácido en el cono: (76-80)ºC• Temperatura en el intercambiador: (100-110)ºC• Presión de vacío: (76-82) mmHg• Temperatura de agua fría: (30-32)ºC• Temperatura de agua caliente: (40-42)ºC

6. Diagrama de flujo del proceso de producción del H3PO4

7. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA PRODUCCION DE

8. MODELOS Y/O REACCIONES QUÍMICAS

Reacción Principal que se lleva a cabo en el proceso

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 + 6H2O

3CaSO4 . 2H2O + 2H3PO4

1. Fosfato Monocálcico

Esta reacción e realiza en dos ETAPAS

Ca3(PO4)2+ 4H3PO4 3Ca(H2PO4)2

2. Lodo de Reacción

3Ca(H2PO4)2 + 3H2SO4+ 6H2

3CaSO42H2O + 6H3PO4

9. REACCIONES QUÍMICAS SECUNDARIAS

Un compuesto que se obtiene en proporción equivalente a la sal fosfórica es el oxido de calcio que en presencia de acido sulfúrico se obtiene sulfato de calcio.

10. Condiciones operatives: T, P, H, Catalizador, % rendimiento

CONDICIONES ÓPTIMAS PARA LA OBTENCIÓN DEL ACIDO FOSFORICO

La conversión y el rendimiento para el proceso adoptado así como la base de materia prima, viene del libro “química Industrial” de Faith, Keyes y Clark.

% de conversión del P2O5= 97%Reactor: Para este proceso su modo de operación debe ser por lotes, continuo de tanque agitado. El 60% del tiempo de reacción será utilizado para la etapa de digestión y el 40% restante para el ataque con acido sulfúrico a la roca fosfórica (32% P2O5). Tiempo de retención en el reactor: generalmente el tiempo de permanencia de los reactivos en el reactor, para que se sucedan todas las reacciones necesarias y el tiempo suficiente de cristalización, varía de 4-8 horas.En el tratamiento químico:

Temperatura: 69-72°CAcidez sulfurica libre: 30-35 g/L.

11. Mecanismo de reacción

12. Cinética y termodinámica de la reacción principal• La roca fosfatada frente al ácido sulfúrico

produce reacciones violentas y con altas liberación de cloruro de calor. Como las reacciones se suceden espontáneamente se ha dispuesto de agitadores a fin de asegurar un contacto más íntimo entre los reacccionantes.

13. Tecnología de purificación del producto a obtener Mediante el Proceso Húmedo para la obtención de acido, podemos obtener a partir de la denominada “Piedra Fosfórica”, el acido fosfórico respectivo, utilizado en la fabricación de fertilizantes a nivel industrial.Si 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 PURIFICACION para separar las impurezas del acido, que es producto deseado: FILTRACION: Consiste en separar el lodo proveniente de

reacción, en yeso dihidratado y acido fosfórico aproximadamente del 36% de pureza.

TRATAMIENTO QUÍMICO: Se efectúa un tratamiento químico al acido fosfórico a fin de hacerlo apto para el consumo de la planta de polifosfatos (en el caso de la fabricación de fertilizantes).

DECANTACION: Se pasa a un decantador para poder separar el acido fosfórico de los demás componentes presentes en la corriente.

EVAPORIZACION: Se evapora la solución para aumentar la concentración del acido fosfórico producido, de 36% hasta una concentración deseada de entre 50 – 80%.

ALMACENAMIENTO: Por ultimo se almacena el fluido en los tanques correspondientes.

14. Impacto ambientalLos fosfatos se usan abundantemente como fertilizantes porque el fosforo es un nutriente indispensable para el crecimiento de las plantas Esta utilización masiva de fertilizantes puede conducir a la contaminación por fosfatos de lagos, estanques y arroyos, provocando una explosión de crecimiento de plantas, especialmente algas. Las algas consumen el oxígeno del agua , llegando a morir los peces. Este tipo de cambio, que ocurre en lagos y arroyos de agua dulce como resultado de su enriquecimiento en nutrientes se llama eutrofización.Sobre el hombre: contacto con la piel puede causar rojez y quemaduras, contacto con los ojos causar irritación y quemaduras, Ingestión causa corrosión y daños al tracto gastro-intestinal, Inhalación causa irritación en la garganta y el pulmón.

Aplicaciones del Acido Fosfórico grado técnicoEste ácido fosfórico tiene un aspecto líquido transparente y se provee comercialmente en concentraciones del 75%, 80% y 85%Sus principales aplicaciones son:Tratamiento de metales: Fosfatado de metales y abrillantado de aluminio.Detergencia: Limpiadores de tipo ácido.Tratamiento de aguas: Aporte de fósforo en aguasresiduales industriales (plantas biológicas).Química: Obtención de fosfatos metálicos. Aplicaciones de Acido fosfórico purificadoEl ácido fosfórico purificado tiene un aspecto Líquido transparente, ligeramente amarillento y se maneja comúnmente en concentraciones de 54% P2O5 (75% H3PO4)Sus principales aplicaciones son:Abonos: Complejos líquidos y en suspensión. Fertirrigación y abonos foliares.Química: Regulador del pH. Fabricación de fosfatos.

15. APLICACIÓN Y FINES DEL PRODUCTO ELABORADO

• ácido fosfórico usado como fertilizante:• Uno de los abonos más utilizados para incorporar fósforo al cultivo

es el ácido fosfórico. Un fertilizante que viene en forma líquida, cómodo de utilizar (pero peligroso), con un aporte genérico de 52% p/p de fósforo, con pH ácido (ideal para suelos alcalinos), y con un mayor control del aporte que se realiza para fertirrigación. Además, que también consigue eliminar restos orgánicos y sales que obstruyen los goteros.

FORMA DE APLICACIÓN El ácido fosfórico se aplica directamente al agua de riego

mediante bombas especialmente resistentes a los ácidos o preparando previamente una solución madre. No debe mezclarse con compuestos cálcicos, magnésicos o férricos

FOSFORO ELEMENTALEl fósforo elemental se obtiene reduciendo el fosfato de calcio con coque en presencia de arena. La ecuación representativa del proceso es:

Ca3(PO4)2(s) + 3SiO2(s) + 5C(s) = 3CaSiO3 + 5CO(g) + P2(g)

La reacción se realiza a temperatura elevada, por lo cual el fósforo se desprende en estado de gas, que se solidifica haciéndolo pasar a través de agua. Esta condensación no solo sirve para separar el fósforo del monóxido de carbono, sino también para impedir que el aire lo vuelva a oxidar.Se realiza presencia de sílice en hornos eléctricos a más de 1.300 ºC, temperatura a la que escapa en forma de vapor junto con los gases del horno, condensando en electrofiltros y siendo purificado a continuación. De la dos variedades de fósforo, la blanca y la roja, esta última es la más usada, por no ser tóxica y tener un punto de ignición de 260 ºC (en lugar de los 20 ºC que tiene la blanca), siendo mucho menos volátil, como corresponde a una estructura polimérica. Se emplea como materia prima para la obtención de los cloruros de fósforo de los que se obtienen, a su vez los compuestos orgánicos de fósforo.

El fósforo elemental puede existir en varios alótropos; los más comunes de ellos son sólidos blancos y rojos. Alótropos sólidos violetas y negros también son conocidos

Fósforo blanco

El Fósforo blanco, fósforo amarillo, o simplemente tetrafósforo (P4) existe como moléculas integradas por cuatro átomos en una estructura tetraédrica. El fósforo blanco es una cera translúcida y sólida que rápidamente se convierte en amarilla cuando es expuesta a la luz. Por esta razón también es llamado fósforo amarillo. Brilla de manera verdosa en la oscuridad (cuando es expuesto a oxígeno), es altamente flamable ypirofórico (se prende por sí solo) al contacto con el aire así como tóxico (causando un severo daño hepático si se ingiere y fosfonecrosispor ingestión crónica o inhalación).

Producción y aplicaciones

El alótropo blanco puede ser producido utilizando distintos métodos. En el proceso industrial, la roca de fosfato es calentada en un horno ya sea electrónico o a base de combustible en presencia de carbono y óxido de silicio (IV).2 El fósforo elemental es posteriormente liberado como vapor y puede ser recolectado bajo ácido fosfórico. Una ecuación idealizada para esta reacción carbotérmica se muestra para el fosfato de calcio (aunque la roca de fosfato contiene cantidades significativas de fluoroapatita):

2 Ca3(PO4)2 + 8 C → P4 + 8 CO2 + 6 Ca

Se enciende de manera espontánea en el aire a una temperature de 50°C y a bajas temperaturas si se divide finamente. Esta combustión genera óxido de fósforo (V):

P4 + 5 O2 → P4O10Debido a esta propiedad, el fósforo blanco es utilizado como arma.

FOSFORO ROJO

El fósforo rojo también es otro alotropo del fosforo elemental puede ser formado por el calentamiento de fósforo blanco a 250°C (482°F) o al exponer fósforo blanco a la luz del sol. El fósforo rojo existe como una red amorfa. Tras un calentamiento prologando el fósforo rojo amorfo se cristaliza. El fósforo rojo no se enciende al aire libre a temperaturas menores a 240°C, mientras que piezas de fósforo blanco entran en ignición a 30°C. La ignición es espontánea a temperatura ambiente con el material finamente dividido. Calentar fósforo rojo en presencia de humedad crea gas fosfina, el cual es tanto altamente flamable como tóxico.

16. RESUMIR 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 acido fosforico).Sedimentacion de sales y productos secundarios en el equipo.Corrosion producto de materias en las corrientes (Principalmente acido sulfurico presentando alto grado de acidez conforme aumenta la temperatura de operacion). A NIVEL DE EFICIENCIA:Control de la calidad de alimentacion del evaporador.Optimo espesor de la torta de Filtracion.Mantenimiento de un adecuado caudal de agua de lavado.Optimas condiciones de temperatura y presion para el evaporador.