Ácido fosfórico – resumo

Processos Inorgânicos I

Ácido Fosfórico

O ácido fosfórico é um importante produto químico intermediário, sendo

utilizado principalmente na indústria de fertilizantes constituindo cerca de 60% de

P2O5 contido nos fertilizantes fosfatados.

Pode ser produzido, utilizando como matéria-prima a rocha fosfática através

de duas rotas :

Processamento através da fornalha elétrica: produzindo fósforo elementar

num primeiro estágio, sendo a grande totalidade do fósforo produzido utilizado na

produção de ácido fosfórico de elevado grau de pureza, utilizado principalmente na

indústria alimentícia.

Via úmida: utilizando o ácido sulfúrico para ataque (embora outros ácidos

minerais possam ser usados)

O processo via úmida é o mais tradicional representando 91% da produção

global em razão do processo via fornalha, apresentar um elevado custo de energia

elétrica.

Pela sua natureza, o processo via úmida conserva a maioria das impurezas

contidas no minério conseqüentemente, a escolha do processo de solubilização e as

características do ácido produzido são fortemente influenciadas pelo tipo de

concentrado processado.

Rocha fosfática, fluoroapatita, alimenta uma série de reatores, através dos quais

recicla-se, ácido fosfórico fraco extraído da gipsita através da lavagem desta com

água. A suspensão de ácido fosfórico e fluoroapatita é misturada com ácido

sulfúrico, que age como agente extrator. Após a passagem pela série de reatores o

fluxo reacional é forçado a passar pelo filtro, onde se separa a torta. A torta, que é

lavada com o condensado do evaporador (processo de concentração) é composta

por gipsita (CaSO4 2H2O). O filtrado é concentrado a 75-100% através de uma série

de evaporadores, sendo então resfriado e estocado.

Conversão química primária

Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 ---> 3Ca(H2PO4)2 3Ca(H2PO4)2 + 3H2SO4 + 6H2O ---> 3CaSO4 + 6H2O + 6H3PO4

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1- Seleção da rocha fosfática para fabricação de ácido fosfórico As rochas fosfáticas de origem sedimentar apresentam maior facilidade de

mineração e beneficiamento que as rochas de origem ígnea ou magmática.

As rochas fosfáticas nacionais são de origem ígnea e apresentam baixos

teores de P2O5 e elevados teores de contaminantes.

Composição típica do concentrado fosfático nacional:

As reservas brasileiras estão concentradas nos

estados de MG, SP, SC, GO e PE.

As reservas brasileiras representam apenas

2% das reservas mundiais.

A composição final do ácido depende

fortemente da rocha fosfática utilizada como matéria-

prima, sobretudo da sua relação CaO/P2O5. Essa relação regula a reatividade da

rocha e por isso o consumo de H2SO4, o tempo de residência no reator e a finura

necessária à moagem da rocha.

%p/p P2O5CaO Fe2O3Al2O3MgO SiO2F

35-37 40-53

0,3-2,8 0,3-0,5 0,2-1,8 0,8-2,5 1,5-2,5

valor máximo médio mínimo

composição da rocha fosfática

(%P2O5)

t rocha/t P2O5

relação CaO/P2O5

t H2SO4/ t P2O5

38

2,80

1,70

3,15

33

3,22

1,50

2,78

29

3,67

1,35

2,50

Outros efeitos da qualidade da rocha fosfática sobre a produção de H3PO4:

- A presença de matéria orgânica na rocha produz espuma no reator, interferindo na

filtração e dando coloração escura ao ácido produzido.

- O flúor contido na rocha provoca corrosão e formação de depósitos sólidos,

aumentando o tempo de parada da unidade.

- A presença de sílica é indispensável para evitar a corrosão produzida pelo flúor,

formando SiF4 e/ou fluossilicatos. Porém um excesso de sílica e outras impurezas

insolúveis podem causar corrosão no equipamento e acúmulo nas cubas de

digestão.

- O MgO forma no reator precipitados gelatinosos com o flúor que podem obstruir a

tela do filtro.

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- O alumínio atua como estabilizante do hemihidrato, diminuindo a filtrabilidade do

sulfato de cálcio formado.

- O ferro provoca aumento na viscosidade da suspensão, dificultando a filtração.

Fabricação de ácido fosfórico por via úmida utilizando H2SO4

Os processos industriais de fabricação de H3PO4 são classificados de acordo

com a forma de hidratação na qual o sulfato de cálcio cristaliza:

- anidro: CaSO4

- hemihidrato:CaSO4.1/2H2O

- dihidrato:C aSO4.2H2O

A forma de hidratação é controlada principalmente pela temperatura e pela

concentração de P2O5.

Condições operacionais:

Temperatura (oC) Processo No de etapas de separação

Concentração do ácido produzido

(%P2O5) reator recristalizador

Dihidrato

Hemihidrato

Hemi-dihidrato

Hemi-dihidrato

1

1

1

2

26-32

40-50

26-30

40-50

70-85

85-100

90-100

90-100

-

-

50-60

50-65

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Fabricação de ácido fosfórico por via úmida utilizando H2SO4

1. Processo Dihidrato: Compreende quatro estágios: moagem, reação, filtração e concentração.

Moagem:

Consiste na redução do tamanho das partículas da rocha fosfática, geralmente utilizando-se moinhos de bola.

Reação:

Converte-se o fosfato monocálcico com ácido sulfúrico concentrado em ácido fosfórico e sulfato de cálcio, que é insolúvel. Para se obter a precipitação da gipsita, mantém-se o ácido fosfórico obtido com uma concentração de 26-32% em P2O5 a uma temperatura de 70-80oC.

Filtração

Este estágio separa o ácido fosfórico da gipsita insolúvel. O equipamento filtrante é movimentado em seqüências de vários estágios em uma operação contínua. Na separação inicial, isola-se o ácido fosfórico, que é separado e estocado. Seguem-se então pelo menos dois estágios de lavagem antes do descarte da torta, de forma a recuperar-se o ácido ainda existente na torta, que diluído com as águas de lavagem retorna para a reação. Na prática, para que esta filtração seja eficiente e eficaz, utilizam-se equipamentos de filtração a vácuo. (Veja Shreve, pg 226, fig. 16.5).

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Concentração:

Quase sempre todos os evaporadores utilizados são os de recirculação forçada.

No processo dihidrato o H2SO4 e um reciclo de H3PO4 fraco são alimentados

ao reator, juntamente com o concentrado fosfático na granulometria adequada.

A fim de controlar a temperatura no reator (70-80oC) há necessidade de

resfriamento do sistema de reação. Uma das formas de exercê-lo é promovendo

uma recirculação de parte da polpa resfriada num resfriador a vácuo. Outra via

bastante utilizada para o resfriamento é a circulação forçada de ar sobre a superfície

da polpa de reação.

O sistema de reação consiste de uma série de reatores agitados ou reatores

divididos em diferentes compartimentos. Nos reatores compartimentados usa-se

concentração mínima de SO42- e máxima de P2O5 na região de reação e o reverso

na região de cristalização.

Da etapa de reação, a polpa segue para a seção de filtração e lavagem,

composta de 3 etapas. Na 1a etapa é feita a 1a filtração, sendo este 1o filtrado

enviado para a estocagem (H3PO4 com 28-32% de P2O5). Na 2a etapa, composta de

2a filtração e 1a lavagem, é produzido o 2o filtrado (H3PO4 fraco, com 20% de P2O5),

que é recirculado ao reator. Na 3a etapa é feita a 3a filtração e 2a lavagem. O 3o

filtrado segue para realizar a 1a lavagem e o subproduto sólido separado, o

fosfogesso, é enviado para a área de armazenamento.

concentrado fosfático

moagem

reatores

resfriadora vácuo

filtração

H2SO4

reciclo deH3PO4 diluído

(20%P2O5)

estocagem H3PO4(28-32% P2O5)

concentração (1 ou 2 estágios)

água (lavagem)

fosfogesso

H3PO4 produto (40-42% ou 50-54% P2O5)

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Processo Hemi-dihidrato:

Esse processo segue, em linhas gerais, o mesmo princípio do processo

dihidrato, com a diferença que a etapa de solubilização do concentrado fosfático

produz gesso na forma hemihidrato para posteriormente ser recristalizado para a

forma dihidrato e filtrado nesta condição.

Na tecnologia aplicada no Brasil para esse tipo de processo (processo

Nissan) são feitas as diluições prévias do H2SO4 (até concentração de 75%) e a pré-

mistura com o fosfato, antes da etapa de reação propriamente dita.

Nesse caso, as temperaturas nos sistemas de reação (90-100oC) e de

cristalização (50-60oC) são controladas pelo insuflamento direto de ar na superfície

da polpa.

concentrado fosfático

moagem

H2SO4

pré-mistura

H2O (diluição eresfriamento)

diluição

filtração

reciclo deH3PO4 diluído

(20%P2O5)

estocagem H3PO4(28-32% P2O5)

concentração (1 ou 2 estágios)

água (lavagem)

fosfogesso

H3PO4 produto (40-42% ou 50-54% P2O5)

reação

recristalização

água quente(60oC)

O processo dihidrato é o mais tradicional. O processo hemihidrato tem a

vantagem de produzir o ácido fosfórico na conc desejada à manufatura de

fertilizante.

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Processos Inorgânicos I

Resumindo

Os objetivos de qualquer processo de produção de ácido fosfórico, por via úmida,

concentram-se essencialmente nos seguintes pontos;

- obtenção do produto com maior teor de P2O5 possível.

- Obtenção de cristais de gesso de elevada filtrabilidade

- Elevado rendimento global em P2O5

Os fatores que mais influenciam na solubilização do fosfato são os seguintes: origem

geológica; granulometria; nível de sulfato; tempo de residência; temperatura e grau

de agitação no reator.

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