Produção de acido fosfórico
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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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Ácido fosfórico – resumo
Processos Inorgânicos I
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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Ácido fosfórico – resumo
Processos Inorgânicos I
- 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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Ácido fosfórico – resumo
Processos Inorgânicos I
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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Ácido fosfórico – resumo
Processos Inorgânicos I
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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Ácido fosfórico – resumo
Processos Inorgânicos I
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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Ácido fosfórico – resumo
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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