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Introducción
El ácido fosfórico (H3PO4), constituye una fuente de compuestos llamados fosfatos que cuenta con numerosas aplicaciones en diversos sectores de interés económico y comercial. Se obtiene mediante el tratamiento de rocas de fosfato de calcio con ácido sulfúrico, generalmente, en la industria de los huesos calcinados o del tricálcico natural.1) La industria de este producto incluye una serie de minerales que son de gran importancia, entre ellos, los pertenecientes al grupo apatita con la fórmula general Ca10 (PO4)6X2, donde X puede ser cloruro, fluoruro o hidróxido. Entre los fosfatos naturales más comunes derivados del ácido ortofosfórico podemos citar: apatita o fosforita, wawellita, vivianita y piromorfita, los cuales poseen gran importancia en el metabolismo de los animales y plantas, de ahí que los fosfatos tengan gran participación en la producción de fertilizantes.
La necesidad de producir ácido fosfórico en Cuba se debe fundamentalmente a la producción de fertilizantes minerales, como productos a base de nitrógeno, fosfato y potasio, la cual es muy escasa y presenta una demanda que se satisface principalmente a través de importaciones. El diseño de una planta química capaz de producir dicho ácido no solo contribuiría favorablemente a la fertilización de los suelos para la explotación de los cultivos sino que potenciaría además el desarrollo del programa alimentario nacional.
Su producción involucra como materia prima fundamental, a la roca fosfórica o fosforita, la cual de sus componentes el primordial es el fósforo, que actúa como fertilizante. Además, posee calcio y silicio que corrige la acidez del suelo, estimula el desarrollo de la raíz, interviene en la formación de los órganos de reproducción y acelera la maduración de los frutos. Ubicada en la zona de Trinidad de Guedes, perteneciente a la provincia de Matanzas, se encuentra el yacimiento de fosforita más importante en Cuba con importantes reservas de fosforitas granulares (284 900 t), con un contenido medio de P2O5 de 23,55%, fosforitas arcillosas de cubierta, (85 139,4 t) con un valor medio de 12,29% de P2O5 y fosforitas arcillosas margosas (74 323,2 t) con valor medio de 14,03 % de P2O5. Teniendo en cuenta lo expresado anteriormente, en el presente trabajo se propone el diseño preliminar de una planta química para la obtención de ácido fosfórico, a partir del mineral conocido como la fosforita cubana.
Materiales y métodos
Para comenzar el diseño de la planta de producción de ácido fosfórico es necesario partir de la revisión bibliográfica, para conocer las principales aplicaciones y características del producto, así como de las materias primas. La caracterización química de las rocas fosfóricas fue realizada por el Laboratorio Central de Minerales "José I. del Corral”. (2,3,4,5,6,7,8,9
De la propia bibliografía se analizan las diferentes alternativas de producción, de las cuales, la más viable, fue mediante el proceso dihidrato. Para dicha alternativa se establecen las condiciones de operación y el esquema de producción. Luego se efectúan los balances de materiales correspondientes y se determina el equipamiento necesario. El diseño incluye la evaluación económica de la planta a través de los indicadores económicos Tasa Interna de Retorno, Valor Actual Neto y Periodo de Recuperación al Descontado.
Resultados y discusión
La fosforita y sus usos
Si bien es un elemento esencial para todas las formas de vida, representa uno de los tres macronutrientes que necesitan las plantas. El principal uso de la roca fosfórica es la producción de una gama de fosfatos y fertilizantes de multinutrientes que son fundamentales para aumentar el rendimiento de los cultivos y mantener el suministro mundial de alimentos. Sin embargo, el fósforo es también un suplemento nutritivo importante en la alimentación animal, cuya demanda es determinada por la producción mundial de carne. Además, se requieren cantidades más pequeñas de fósforo para una amplia gama de aplicaciones industriales y alimentarias.10
Cerca del 80 % de toda la roca fosfórica se utiliza para producir ácido fosfórico por vía húmeda (WPA), el cual es utilizado para producir una variedad de fertilizantes sucesivos y otros productos.
Principales aplicaciones del ácido fosfórico
Fertilizantes fosfatados concentrados: este es el segmento más significativo, incluyendo el fosfato diamónico (DAP), el fosfato monoamónico (MAP) y el superfosfato triple (TSP). Estos fertilizantes se producen a gran escala y se comercializan a nivel mundial en grandes volúmenes.
Fertilizante multinutriente: el WPA puede utilizarse para producir una amplia gama de formulaciones de micronutrientes 'NPK', cuya demanda ha ido en aumento en los últimos años.
Alimento para animales: los suplementos alimenticios para animales que contienen fósforo, como el fosfato dicálcico (DCP), se producen por la vía del WPA.
Aplicaciones industriales y alimentarias: el WPA puede purificarse para producir un ácido de alta pureza para su uso como intermediario en la producción de fosfatos industriales y alimentarios. Un uso importante de este ácido purificado es en la producción de sales de fosfato, como el tripolifosfato de sodio (STPP). Ver figura 1
El ácido fosfórico también es utilizado en la industria de alimentos y como ingrediente para bebidas no alcohólicas, por ejemplo, en refrescos tipo cola para darles un gusto levemente ácido.11) Es muy útil en el laboratorio debido a su resistencia a la oxidación, a la reducción y a la evaporación. Además, es empleado como pegamento de prótesis dentales y como catalizador en metales inoxidables. Se emplea para producir fosfato de calcio sintético y así recubrir implantes ortopédicos que son utilizados a su vez en la reparación del sistema óseo del cuerpo humano. También en los fosfatos que se utilizan como ablandadores de agua y detergentes.12) Ver figura 1
Principales alternativas de obtención de ácido fosfórico
Hay muchos tipos de procesos de fabricación de ácido fosfórico, pero los principios básicos mencionados son los mismos para todos. La cantidad de ácido fosfórico que queda en el yeso derivado puede variar con la diferencia de la forma cristalina del sulfato de calcio.14,15
El ácido fosfórico se puede obtener en forma de anhidrita, semihidrato o dihidrato. Por último, existen los procesos que obtienen una calificación final determinada en una sola etapa y los que lo hacen en varias etapas.15
En la tabla 1se muestran los diferentes procesos de obtención de ácido fosfórico debido a las diferentes rocas y a los sistemas de eliminación del yeso.
Proceso Dihidrato
El proceso químico del ácido fosfórico por vía húmeda (Dihidrato) se compone de las siguientes etapas:
Recepción de la roca: consiste en el almacenamiento de la roca proveniente de la mina y su posterior secado como parte de su preparación para las etapas siguientes del proceso.
Molienda: la molienda de la roca se realiza para obtener una mayor superficie de contacto entre el ácido sulfúrico y el P2O5 (roca fosfática) en el área de reacción, de esta forma se aprovecha al máximo el contenido fosfático de la roca y ocurre en un molino de bolas. Luego, la roca ya micromizada se clasifica y separa en finos óptimos que van para la sección de reacción y los granos gruesos que regresan al molino.
Reacción: la química básica del proceso húmedo es muy simple. El fosfato tricálcico en la roca fosfórica se convierte por reacción química con ácido sulfúrico concentrado en ácido fosfórico y sales insolubles de sulfato de calcio.
La roca fosfática seca y molida se alimenta al reactor, así como el ácido sulfúrico al 98% y el ácido fosfórico al 17% de P2O5proveniente de la etapa de filtración. La reacción ocurre en un Reactor Tanque Continuamente Agitado (CSTR, por sus siglas en inglés), donde se produce un medio de reacción compuesto fundamentalmente por cristales de yeso en crecimiento, ácido fosfórico en fase líquida (al 28% de P2O5), cantidades controladas de iones sulfato en solución, agua y otros compuestos procedentes de la roca. La formación de espuma se controla adicionando antiespumante en el reactor. La operación es discontinua, pero se utilizan tres reactores en cascada: dos tanques de reacción y un tanque de envejecimiento para hacerla de forma continua debido a que el tiempo de reacción es de 6 h. En el tanque de reacción ocurre el ataque de ácido sulfúrico con la roca fosfórica y el ácido fosfórico débil (17% de P2O5) que se recircula de la etapa de filtración. El tanque de envejecimiento es para que la reacción ocurra completamente y que sirva como alimentación al sistema de filtración.
La reacción entre la roca fosfórica y el ácido sulfúrico es autolimitada, porque se forma una capa insoluble de sulfato de calcio en la superficie de las partículas de la roca. Este problema se controla, manteniendo la roca en contacto con ácido fosfórico recirculado a la reacción, para convertirla lo más rápido posible a fosfato monocálcico y entonces precipitando el sulfato de calcio junto con el ácido sulfúrico16, para ello la etapa cuenta con un sistema de recirculación del lodo que ayuda a mantener la temperatura del lodo de reacción en 80ºC y la formación del sulfato de calcio en su forma deshidratada; luego el lodo rebosa al tanque. Los gases son trasladados a través de una corriente de aire inducido hacia el lavador de gases (lavadero de gases Venturi), en donde son abatidos por medio de una gran cantidad de agua y una vez depurados son expulsados a la atmósfera. Finalmente, el lodo que se encuentra en el tanque es enviado a la sección de filtración.
Filtración: el lodo proveniente de la sección de reacción se hace pasar por un filtro prensa, los sólidos son separados del ácido fosfórico y la torta de yeso remanente es sometida a dos lavados con agua caliente la cual se va reconcentrando en cada etapa del lavado hasta llegar al 28% de P2O5. El ácido fosfórico filtrado en la primera sección (ácido producido al 28% P2O5) es enviado al tanque sedimentador (sistema de clarificación) antes de ser bombeado a la sección de evaporación. El segundo filtrado (17% P2O5, producto del primer lavado) es retornado hacia el reactor. El tercer filtrado (producto del lavado de agua caliente) es recirculado como fluido del lavado de la torta en la segunda sección para obtener el primer filtrado. El yeso (< 1,5% P2O5, base seca) se descarga al tanque de yeso donde con ayuda del agitador es mezclado con agua fría, y finalmente es enviado al sistema de disposición de yeso.
Evaporación: el ácido obtenido en el primer filtrado de la sección de filtración con una concentración de 28% P2O5 aproximadamente, es enviado a un sistema de evaporación al vacío con recirculación forzada, donde es concentrado hasta 40 % P2O5. El proceso de concentración se lleva a cabo en un evaporador, conectado a un intercambiador de calor alimentado con vapor de baja presión, el cual mantiene la temperatura del ácido recirculado en 80°C. El ácido recirculado se mezcla con el ácido alimentado antes de entrar a la cámara de vacío, incrementado así su concentración hasta 40% de P2O5. El sistema de evaporación opera a una presión de vacío entre 140 y 180 mmHg, para que el punto de ebullición del agua disminuya hasta una temperatura entre 79 y 80ºC. El ácido fosfórico al 40% P2O5 es enviado a los tanques de almacenamiento.
Almacenamiento: el ácido contenido es almacenado en lugares venteados secos y frescos apartados del calor solar a una temperatura entre (40-75) ºC.
A continuación, se muestra un diagrama de flujo de este proceso (figura 2):
Balance de materiales
Según Srivasta,17la información necesaria que aporta datos para la realización de los balances se muestra en la tabla 2. La tabla 3 revela los resultados obtenidos en los balances de materiales.
Equipamiento necesario
En la tabla 4 se muestra el equipamiento necesario para el proceso se establece a partir de los resultados de los balances de masa y energía correspondientes procesados por Armas. 10
Evaluación Económica
La evaluación económica de la planta propuesta fue realizada según la metodología del Peters and Timmerhaus.18Para ello, fueron determinados los costos de inversión y producción de la planta, los cuales fueron procesados con el objetivo de valorar la factibilidad económica del proceso y así determinar los indicadores dinámicos de rentabilidad, que aparecen en la tabla 5.
A continuación, se observa en la figura 3 el PRD, el cual revela un periodo de recuperación de la inversión de 1,8 años aproximadamente.
Como se puede apreciar los resultados son rentables y los indicadores dinámicos muestran también resultados positivos, lo cual justifica la factibilidad de la planta.
Conclusiones
La fosforita cubana ofrece posibilidades para ser utilizada como materia prima, tanto desde el punto de vista estructural como de su disponibilidad en la síntesis de ácido fosfórico.
El ácido fosfórico en Cuba presenta una gran demanda en la producción de fertilizantes, lo cual beneficiaría el desarrollo de la agricultura y la economía en general.
El proceso Dihidrato, consta de cuatro etapas fundamentales, entre ellas la molienda, reacción química, filtración y evaporación.
El equipamiento fundamental del proceso incluye dos tanques de reacción de 10 m3 cada uno y un tanque de envejecimiento de 20 m3, un evaporador de simple efecto con área de transferencia de calor de 26,47 m2 y cuatro filtros prensas Sperry de 1,65 m de ancho y 2,05 de altura.
Se demuestra la factibilidad técnico-económica de la planta obteniéndose los siguientes indicadores de rentabilidad: VAN de 10 205 137,34 $/año, una TIR de 65 % y un PRD de 1,8 años.
