Ácido fosfórico

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ - UNIOESTE CENTRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIAS EXATAS - CECE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: OPTATIVA II – FERTILIZANTES DOCENTE: DR. SALAH DIN MAHMUD HASAN PRODUÇÃO DO ÁCIDO FOSFÓRICO JOHNNY ROTTAVA

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Page 1: Ácido fosfórico

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ - UNIOESTE

CENTRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIAS EXATAS - CECE

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

DISCIPLINA: OPTATIVA II – FERTILIZANTES

DOCENTE: DR. SALAH DIN MAHMUD HASAN

PRODUÇÃO DO ÁCIDO FOSFÓRICO

JOHNNY ROTTAVA

TOLEDO – PR

2010

Page 2: Ácido fosfórico

JOHNNY ROTTAVA

PRODUÇÃO DE ÁCIDO FOSFÓRICO

Relatório acadêmico apresentado

como método de avaliação parcial

da disciplina de Optativa II do curso

de Engenharia Química da

instituição de ensino UNIOESTE –

Universidade Estadual do Oeste do

Paraná.

TOLEDO – PR

2010

Page 3: Ácido fosfórico

Sumário1 Ácido fosfórico.........................................................................................1

1.1 Propriedades físico-químicas...........................................................1

1.2 Identificação de perigos....................................................................1

2 Aplicação.................................................................................................2

3 História....................................................................................................4

4 Economia................................................................................................5

5 Produção.................................................................................................7

5.1 Via úmida..........................................................................................7

5.2 Via seca..........................................................................................11

5.3 Via Kiln (via forno)..........................................................................12

6 Bibliografia............................................................................................14

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1 Ácido fosfórico

1.1 Propriedades físico-químicas

Massa molecular: 98 g/gmol;

Sólido branco (até 21°C) e líquido viscoso após fusão (42°C);

Incolor;

pH ácido;

Ponto de fusão: 42,4°C;

Ponto de ebulição: 158°C;

Densidade: 1,685 g/cm³;

Muito solúvel em água;

Comercialmente vendido na concentração de 85% em peso;

Corrosivo.

1.2 Identificação de perigos

O vapor do ácido fosfórico é corrosivo, irritante para os olhos, pele,

membranas mucosas e trato respiratório superior. Soluções concentradas são

moderadamente tóxicas quanto à ingestão e contato com a pele. Manuseie o

produto com segurança.

Pode contaminar cursos de águas, tornando-os impróprios para uso em

qualquer finalidade. O ácido fosfórico é um ácido forte que reage com álcalis

(bases), formando sais de fosfato, que são corrosivos para alguns metais e ligas.

Quando reage com cloro e aço inoxidável, sob aquecimento, pode haver liberação

de hidrogênio.

Evite o contato com metais, pois pode haver liberação de hidrogênio. Previnir

danos físicos aos tanques e tubulações. Utilizar sempre material especificado

compatível com ácido fosfórico (Tubulação: ferro fundido; Tanque: Aço carbono –

ASTM – A – 283 com revestimento de borracha e tijolo antiácido grafitado).

Instabilidade: O ácido fosfórico é estável quando armazenado em temperatura

ambiente, em equipamentos fechados sob condições normais de estocagem e

manuseio.

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2 Aplicação

Como fertilizante, o ácido fosfórico é vendido de forma farelada à granel ou

em big bag de 1000 kg. Na Tabela 1 apresenta-se a composição do produto típico.

Tabela 1 - Propriedades do ácido fosfórico fertilizante.

Determinação Garantia Registrada (%) Valores TípicosP2O5 solúvel em CNA+H2O 16,0 >16,0

P2O5 solúvel em H2O 2,0 >2,0P2O5 total 18,0 18,0 mínimo

Cálcio total 14,0 >14,0Enxofre total 3,0 >3,0

Magnésio total 2,0 >2,0Umidade - 8,0 ~30,0

Indústria alimentícia:

Acidulante em refrigerantes e cervejas;

Branqueamento de açúcar, flotação do xarope e refino;

Carnes frigorificadas e fixador de corantes de salsichas;

Coadjuvante na extração de gelatinas alimentícias dos colágenos de

animais;

Degomação e estabilizante de óleos vegetais comestíveis;

Fabricação de fosfatos alimentícios e técnicos (sais de fósforo);

Fabricação de sucos cítricos;

Fermento biológico (panificação);

Fonte de fósforo para processos biotecnológicos (produção de fermentos

biológicos);

Fosfatos alimentícios;

Geleificador de pectinas para espessamento de geléias e doces de frutas;

Glutamato monossódico;

Limpador para remoção de “pedra de leite”, nos equipamentos de

produção de laticínios;

Molhos para saladas.

Indústria farmacêutica:

Coadjuvante na extração de insulina orgânica de pâncreas suína para o

uso humano;

Coadjuvante nas massas de sabonetes;

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Fabricação de glicerofosfatos;

Fonte de fósforo em tônicos fortificantes;

Manufatura de produtos farmacêuticos;

Nutriente, acidulante ou agente tampão nas operações micro-biológicas,

tais como na produção de antibióticos;

Tamponante em soluções de enxágue bucal.

Aplicações indutriais

Alvejamento de caulin;

Biodiesel;

Caprolactana;

Decapantes ou desoxidantes;

Detergentes;

Formulações de fertilizantes foliares;

Nitro celulose;

Óleo de pinho;

Pigmentos e resinas;

Polimento químico ou eletroquímico de peças de alumínio;

Produção de carvão ativo;

Produção de fosfato bicálcico para ração animal;

Produção de refratários;

Produtos para análise – PA;

Recuperação de amônia;

Resinas plásticas;

Têxtil;

Tratamento biológico de efluentes;

Tratamento de superfícies metálicas.

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3 História

O guano, excremento de aves e morcegos foi uma das primeiras fontes de

fósforo que o homem utilizou, mesmo desconhecendo a existência desse elemento,

posteriormente descoberto pelo alemão Henning Brand, em 1669. Os registros da

utilização do fósforo como fertilizante, datam desde 200 a.C., os cartagineses, povo

que viveu no norte do continente africano, em uma colônia fenícia, hoje Tunis,

atualmente capital da Tunísia, usavam o excremento de aves para elevar a

produção de seus cultivos.

Os incas peruanos consideram crime matar pássaros, de tanto que

valorizavam seus excrementos. Os indígenas americanos, em sua agricultura,

utilizavam peixes e ossos. Os ossos e o guano eram, mesmo que em quantidade

limitada, a principal fonte de fósforo e ácido fosfórico.

Somente em 1842, quando o inglês John B. Lawes adquiriu uma patente para

o tratamento de cinzas de osso, foi que a indústria do fósforo teve seu marco inicial,

a partir dessa época, foram descobertas, principalmente na Inglaterra, diversas

espécies de minérios fosfáticos, aplicações e tratamentos desses minerais para

elevar sua eficiência, a acidulação com acido sulfúrico foi uns dos primeiros métodos

de enriquecer eficientemente esses minérios, atualmente a acidulação com ácido

nítrico ou com ácido fosfórico leva a um maior fertilizante.

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4 Economia

Para produção de fosfatados e fosfatos a única fonte viável são as rochas

fosfáticas. Cerca de 85% da produção mundial provem de rocha sedimentar e o

restante provem de rocha ígnea. No Brasil, pela situação geológica, quase 95% da

produção de fosfatados e fosfatos tem origem a rocha ígnea.

Conforme mencionado na Seção 2, o ácido fosfórico tem uma grande gama

de produtos, entretanto está destinado a dois grandes setores: fertilizantes e

nutrição animal. O esquema indicado na Figura 1 indica qual a demanda da rocha

fosfática explorada no Brasil.

Figura 1 - Esquema da demanda nacional da rocha fosfática.

Por tratar-se de um produto de origem natural a qualidade da rocha está

ligada à qualidade do solo. Historicamente a qualidade da rocha fosfática explorada

mundialmente teve seu pico máximo no final da década de 1970 e desde então

declinou, isto é, o nível de P2O5 presente na rocha diminui e estima-se uma queda

moderada na qualidade da rocha daqui para frente. Acompanhando a Figura 2 é

possível melhor compreender.

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Figura 2 - Nível de P2O5 na rocha fosfática.

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5 Produção

A produção de ácido fosfórico advém de dois processos distintos. No primeiro

processo, obtém-se o fósforo elementar através da redução térmica do fosfato de

cálcio em forno elétrico, o qual é posteriormente oxidado e absorvido em água,

resultando o ácido fosfórico.

O segundo processo, por via úmida, é baseado na reação de ácido sulfúrico

com o concentrado fosfático. Há ainda um terceiro processo, denominado processo

Kiln, esse processo é a mais recente tecnologia, por isso ainda é pouco utilizada,

chamada de processo rigoroso melhorado, essa tecnologia tornará reservas de

rocha fosfática de baixos teores viáveis e irá aumentar a recuperação de P2O5 das

reservas de fosfatos existentes, isso estenderá a viabilidade comercial das reservas

de fosfato.

Figura 3 - Processo simplificado de produção de ácido fosfórico e seus produtos.

5.1 Via úmida

O processo inicia-se pela extração nas minas de apatitas. Essa extração é

denominada de desmonte. O desmonte acontece por detonações de explosivos que

produzem fragmentos de vários tamanhos, que em seguida são enviados para os

processos de britagem. Na britagem primária estes fragmentos são reduzidos ao

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tamanho de aproximadamente trinta centímetros e na britagem secundária são

reduzidos ainda mais, atingindo até três centímetros.

O material obtido nas britagens é conduzido para o pátio de homogeneização

que garante a perfeita distribuição dos elementos e em seguida passa pelos

moinhos de barras, que reduzem o tamanho para ordem de um milímetro.

Esse minério vai para o desmagnetizador, que através de um ímã separa os

minerais ricos em ferro. Continuando o processo, entra em ação o sistema de

flotação.

Este processo permite a separação da apatita (que é um fosfato tricálcico), do

calcário e de outros minerais uma vez que as partículas de apatita aderem a uma

bolha e flotam para a superfície do tanque.

A flotação que era inédita em todo o mundo aumenta consideravelmente a

concentração de fósforo de 2,5% para 16%.

O ácido sulfúrico, que é produzido a partir do enxofre elementar. Nessa

operação o enxofre é fundido, filtrado e oxidado a SO2 com o oxigênio do ar.

Passando pelo catalisador é transformado em SO3, que segue então para a torre de

absorção, depois para a torre final. Após resfriado, é finalmente estocado como

ácido sulfúrico.

A rocha concentrada em fósforo que resulta do sistema de flotação é

adicionada ao ácido fosfórico proveniente da reciclagem do resfriador de lama e

ácido sulfúrico no reator da unidade de ácido fosfórico. O reator deve ser revestido

por chumbo, aço inoxidável ou tijolos a prova de ácido e a temperatura do tanque

deve ser baixa para garantir a precipitação do gesso (CaSO4*2H2O) e não da

anidrita. A formação da anidrita e sua hidratação provocam o entupimento da

tubulação.

CaF2∗3Ca3(PO¿¿4)2+10H 2SO4+20H 2O→10CaSO4∗2H 2O+2HF+6H 3PO4 ¿

O flúor passa por um lavador de gases e é descartado para a atmosfera. A

massa de lama é reciclada pelo resfriamento da lama e devolvida ao tanque de

misturarão, o resto da lama vai para o tanque de carga do filtro e para a filtração,

executada em bandejas basculantes rotatórias, conhecido como filtro Bird-Prayon.

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Figura 4 – Esquema de funcionamento das bandejas basculantes do filtro Bird-Prayon.

No processo continuo das bandejas basculantes, a lama é filtrada a vácuo de

duas a três vezes, e ao final do ciclo, a badeja, em um giro de 180°, descarta o

gesso (torta), o gesso segue para outro processo que visa sua comercialização,

ainda a 180° a bandeja é limpa e então volta para sua posição normal, para receber

uma nova carga de lama e continuar o ciclo.

O ácido fosfórico, logo na saída das bandejas basculantes, apresenta de 30 a

32% de P2O5, e dessa forma pode ser usado diretamente, ou pode ainda ser

concentrado.

O ácido fosfórico é enviado para os tanques de armazenagem e para o

sistema de evaporação, onde ocorre a concentração e purificação deste ácido,

atendendo às normas e padrões internacionais.

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Figura 5 - Fluxograma de produção do ácido fosfórico por via úmida.

Um processo alternativo que produz ácido fosfórico com maior rendimento é

um processo patenteado pela empresa suíça Vichem.

Num contexto de diminuição da disponibilidade de rocha fosfórica de alta

qualidade, e aumento do preço, a VICHEM desenvolveu e patenteou um processo

que alcança uma melhora significante no processo de ataque da rocha fosfática com

ácido sulfúrico (processo desidratado).

Esse processo, que consiste em dois conjuntos sucessivos de reatores-

separadores, apresenta as seguintes vantagens:

Aumento de capacidade: até 50% com inclusão de apenas dois

equipamentos;

Aumento do rendimento: até 96-97%, mesmo com baixa qualidade da

rocha fosfática;

Aumento da estabilidade: graças aos dois conjuntos de reatores-filtros;

Baixo consumo de energia: maior concentração de P2O5, menos vapor

necessário.

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Figura 6 - Processo Vichem de reação-separação na produção de ácido fosfórico.

5.2 Via seca

A via térmica ou via seca resume-se na oxidação do fósforo elementar e

posterior hidratação, o ácido fosfórico produzido dessa forma atinge o grau

farmacêutico, devido a sua elevada pureza e concentração, para algumas

aplicações críticas, ainda é necessário um processamento para eliminar compostos

de arsênio.

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Figura 7 - Fluxograma da produção de ácido fosfórico via seca.

O fósforo elementar, ao termino de sua produção, é levado até uma torre de

oxidação, onde será queimado gerando pentóxido de fósforo. Conforme a reação:

4 P+5O 2→2P2O5

O P2O5 é resfriado e hidratado em um hidratado de aço inoxidável, ou em uma

torre, com água ou acido fosfórico diluído, conforme a reação:

P2O 5+3H 2O→3H 3PO4

Em seguida, a névoa de acido fosfórico é precipitada em um precipitador

eletrostático ou em um eliminador de névoa Brink, e posteriormente é filtrado e

purificado. O ácido fosfórico, produzido desta maneira, atinge uma concentração

mínima de 75%, mas o rendimento mais comum é 85%.

5.3 Via Kiln (via forno)

O processo por via úmida apesar de ser o mais utilizado produz muita

impureza, solução de ácido fosfórico negra contendo cerca de 26% de P2O5 que é

concentrado para fazer fertilizantes sólidos (MAP e DAP) ou purificado para produzir

fertilizante líquido ou super ácido fosfórico.

Este processo irá permitir a utilização de minérios de fosfato mais magro

porque tem maior tolerância de algumas impurezas comuns tais como sílica, matéria

orgânica e magnésio. Ele também reduz o impacto ambiental porque um sólido

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agregado inerte é o subproduto da reação, não o gesso. Este processo produz um

super ácido fosfórico a um custo significativamente reduzido em relação ao processo

úmido, alem do que o super ácido é mais eficiente do que o ácido via úmida.

A reação a alta temperatura do minério aglomerado com fosfato, sílica e

material carbonáceo produz fósforo e monóxido de carbono. Quando fósforo e

monóxido de carbono são queimados com o ar liberam calor suficiente para

alimentar o processo de produção via térmica.

Embora os fornos produzam ácido fosfórico de alta qualidade e não seja

utilizada eletricidade como resistência térmica, na prática demanda-se cerca de

cinco vezes mais carbono que o estudo teórico indica devido ao baixo nível de

integração energético implicando um grande fluxo de gás no reciclo.

Em 1981, Dr. Robert Hard utilizou carvão contendo alta concentração de

enxofre e coque verde de petróleo em um forno rotativo piloto e obteve um produto

com 87% de pureza utilizando minérios impuros do norte da Flórida (EUA) e Baja

(México).

Page 17: Ácido fosfórico

6 Bibliografia

BUNGE Fertilizantes S/A; “Ficha de Informações sobre Produtos

Químicos”.

http://www.serrana.com.br/nutricaoanimal/processodeproducao.asp

http://www.cheresources.com/wetphoszz.shtml

ALECRIM, S; “Fósforo, Fosfato e Superfosfato”; Universidade de Mogi das

Cruzes.

MEGY, J.A; “The Economic, Environmental and Quality Advantages of the

Kiln Phosphoric Acid Process over the Wet Acid Process for the

Manufacture of Phosphoric Acid”.

http://www.fosfertil.com.br/

CRU Group.

British Sulphur Consultants.