Procesos Industriales Inorgnicos

Procesos Industriales InorgnicosIng. Henry Esquerre Pereyra

PRODUCTOS FOSFORADOSLas rocas fosfricas son esencialmente fluorapatita mezclada en diferentes proporciones con otros compuestos de calcio, flor, hierro, aluminio y silicio.La frmula de la fluorapatita es CaF23Ca3(PO4)2, equivalente a Ca10F2(PO4)6. Este compuesto es extremadamente insoluble. Los diferentes medios para hacer que el contenido de P2O5sea ms soluble, no necesariamente en agua, sino en jugos de plantas (medido como solubilidad citrato), consisten en la manufactura de varios superfosfatos y en la desfluoracin de la fluorapatita por calcinacin a las temperaturas de fusin incipiente de 1400 a 1500 C con slice o con cido fosfrico.UsosEl empleo ms importante de la roca fosfrica es como fertilizante.La roca fosfrica cuando est finamente pulverizada, tiene una utilizacin directa, limitada, como fertilizante, sobre todo por la disponibilidad relativamente lenta de P2O5. Sin embargo, se emplea como materia prima en la produccin del cido fosfrico, superfosfato, fsforo y compuestos fosforados.

ProcesamientoLa Tabla 8.1 recopila los procesos de tratamiento de la roca fosfrica. El fosfato triclcico de los huesos crudos y/o cocidos al vapor y desgrasados, as como de la escoria bsica, se utiliza tambin, despus de molerse, como fertilizante directo de fosfato. Un pequeo porcentaje de ste se trata a veces con cido sulfrico para hacer superfosfatos, o como una fuente de material para productos qumicos de fosfato. Grandes cantidades de roca fosfrica se convierten en cidos fosforoso o fosfrico y en sus derivados.

TABLA 8.1Tratamiento de la roca fosfricaProcesoMaterias primas y reactivosProductos principales y derivadosSubproductosAcidulacinRoca fosfricacido sulfricocido ntricocido fosfricocido clorhdricoAmoniacoCloruro de potasioSuperfosfatocido fosfrico (proceso hmedo), superfosfato triple, fosfato monoamnico, fosfato diamnico, fosfato monopotsico.Compuestos de flor, vanadio, uranio (limitado)Reduccin de horno elctricoRoca fosfricaFundente de sliceCoque (para reduccin)Energa elctricaAgua decondensacinFsforo, cido fosfrico, superfosfato triple, varias sales de Na, K, NH4y Ca, pentxido de fsforo y haluros.Compuestos de flor, monxido de carbono, escoria (para agregado de lastre de ferrocarril, rellenos, etc.), ferrofsforo, vanadio.Metafosfato de calcioRoca fosfrica, fsforo, aire u oxgeno, combustible.Metafosfato de calcioCompuestos de florCalcinacin o desfluoracinRoca fosfrica, slice, agua o vapor, combustibleFosfato desfluoradoCompuestos de florLa expansin rpida en la produccin del cido fosfrico por el proceso hmedo, ha dado lugar a la demanda creciente por fertilizantes de gran pureza como: el superfosfato triple (10Ca(H2PO4)2) y los fosfatos de amonio y diclcico.

SUPERFOSFATOSLa acidulacin de la roca fosfrica para producir superfosfato ha sido el mtodo ms importante para producir fosfato para fertilizantes durante cerca de un siglo.Las reacciones sonCa3(PO4)2+ 2H2SO4+ 4H2O CaH4(PO4)2+ 2(CaSO42H2O) Fosfato Yeso monoclcicoCaF2+ H2SO4+ 2H2O CaSO42H2O + 2HF4HF + SiO2SiF4+ 2H2O3SiF4+ 2H2O SiO2+ 2H2SiF2La siguiente es una expresin ms probable de la reaccin principalCaF23Ca3(PO4)2+ H2SO4+ 3H2O 3CaH4(PO4)2H2O + 2HF+ CaSO4El cido fluorhdrico reacciona como se acaba de mostrar, formando cido fluorslico, pero con eliminacin incompleta de flor. Un exceso de cido sulfrico es consumido por algunas impurezas en la roca fosfrica, como CaCO3, Fe2O3, Al2O3y CaF2.La manufactura del superfosfato incluye cuatro pasos:preparacin de la roca fosfrica,mezclado con cido,curado y secado de la lechada original al completar las reacciones y,excavacin, molienda y empacado del producto terminado.

En las plantas nuevas se emplean procesos continuos, en algunos casos todava se realizan estas operaciones por lotes. En todas las plantas se pulveriza primero la roca. Con el equipo moderno de pulverizado y de separacin de aire, la mayor parte de la roca se muele hasta una finura de 70 a 80 % a travs de un tamiz de 200 mallas, con los siguientes beneficios:la velocidad de reaccin es mayor;se utiliza con ms eficiencia el cido sulfrico, por lo que se requiere menos cido y,se obtiene un producto de grado superior en mejores condiciones.

FOSFATOSFosfatos de NaLos fosfatos de sodio representan la mayor cantidad de productos qumicos basados en el cido fosfrico puro obtenido en su mayor parte de fsforo elemental.Losortofosfatosestn basados en el tetraedro simple PO4como una unidad monomrica e incluyen al fosfato monosdico (FMS) (NaH2PO4); fosfato disdico (FDS) (Na2HPO4) y fosfato trisdico (FTS) (Na3PO4NaOH.12H2O). las dos primeras sales de sodio se obtienen a partir de cido fosfrico y carbonato de sodio combinados en las proporciones moleculares adecuadas; la solucin se purifica si es necesario, se evapora, se seca y se muele.

El FTS se elabora tambin a partir de cido fosfrico y carbonato de sodio, pero se necesita sosa custica para sustituir al tercer hidrgeno del cido fosfrico. Estas sales se emplean en el tratamiento de aguas, polvos de hornear (FMS), sustancias contra incendios, detergentes, limpiadores, y fotografas (FTS). Los cidos fosfricos condensados o deshidratados molecularmente y sus sales tienen una relacin molar H2O/P2O5inferior a 3 y mayor de 1, y poseen la unidad de cadena unitaria P-O-P. Los ms conocidos son lospolifosfatos: pirofosfatos (M4P2O7) y tripoliofosfatos (M5P3O10). Cuando cualquiera de los cidos fosfricos se disuelven en agua, tiene lugar la hidrlisis para dar cido ortofosfrico. Sus sales estn representadas por el muy utilizado tripolifosfato de sodio y por los pirofosfatos tetrasdico y tatrapotsico.

Para producir el tripolifosfato de sodio es necesario un control definido de temperatura. Cuando el FMS y el FDS, en proporciones correctas o en mezclas equivalentes de otros fosfatos, se calientan duranteun tiempo sustancial entre 300 y 500C, y luego se enfran lentamente, el producto est todo en forma de tripolifosfto.En la Fig. 8.1 se describen las siguientes secuencias coordinadas para comercializar la reaccin:NaH2PO4+2Na2HPO4Na5P3O10+H2OSe hacen reaccionar carbonato de sodio y cido fosfrico de75% en el tanque de mezclado.Los ortofosfatos se secan en un secador rotatorio o en uno de roco.El tripolifosfato de sodio se deshidrata molecularmente en un calcinador calentado con gas.El tripolifosfato se templa, enfra y estabiliza en una unidad rotatoria, continua y templadora.El producto se muele, almacena y envasa.

Fig. 8.1Manufactura de polifosfato de sodio cristalinoPirofosfatos. El pirofosfato tetrasdico (PFTS) (Na4P2O7), se emplea como ablandador de agua y como relleno de jabones y de detergentes.Se fabrica por reaccin entre el cido fosfrico y el carbonato de sodio para dar una solucin de FDS, que suele secarse para dar Na2HPO4anhidro, o cristalizarse para dar Na2HPO42H2Oo Na2HPO42H2Oo Na2HPO47H2O. Estos compuestos se calcinan a alta temperatura en un horno rotatorio con petrleo o con gas, para dar PFTS, es una planta como la mostrada en la Fig. 8.1. Las reacciones pueden describirse como:2Na2HPO4Na4P2O7+H2O2Na2HPO42H2O Na4P2O7+5H2O

Un pirofosfato cido de sodio, no higroscpico, se utiliza mucho como agente qumico de fermentacin en la preparacin de galletas. Se fabrica por deshidratacin parcial del ortofosfato cido monosdico a temperatura de 160 C en6 a 12 h.2NaH2PO4Na2H2P2O7+H2

Fosfatos de calcio.El fosfato monobsico de calcio [Ca(H2PO4)2H2O] se produce por cristalizacin, despus de la evaporacin y algo de enfriamiento de una solucin caliente de cal y cido fosfrico fuerte de horno. Los cristales se centrifugan, y el licor madre, sumamente cido, se regresa para volverlo a utilizar. Esta sal ,cida se obtiene tambin secando por roco una lechada del producto de la reaccin entre la cal y el cido fosfrico, producto que se emplea como polvo de hornear.

POLVOS DE HORNEAREl empleo de agentes fermentadores para producir aeracin y ligereza en panes y pasteles es conocido desde el Egipto antiguo y fue transmitido por los griegos y los romanos. Tanto el pan con levadura como el pan sin levadura son mencionados en la Biblia. Alguna forma de levadura o de fermento que actuar sobre los carbohidratos en la harina, dando CO2y un alcohol, fue el primer agente de fermentacin utilizado. Ms tarde, la soda de hornear (bicarbonato de sodio) se emple mucho pero, debido a que frecuentemente imparta un sabor desagradable o incluso un color amarillento debido a la alcalinidad del Na2CO3formado, contino la bsqueda de mejores reactivos.

Los polvos de hornear consisten en una mezcla seca de bicarbonato de sodio con uno o ms productos qumicos capaces de descomponerlo por completo. Los principales cidos de hornear que se emplean son el fosfato monoclcico monohidratado, el fosfato monoclcico anhidro, el pirofosfato cido de sodio, el sulfato de sodio y aluminio, el cido tartrico, y los tartratos cidos. Los fosfatos monoclcicos son los ms consumidos. Por lo general, se aade a los agentes activos un agente de relleno o de secado, como el almidn o la harina, para dar una mejor distribucin en toda la masa y para actuar como diluyente o para evitar que haya reaccin hasta que se apliquen agua y calor.

Las siguientes ecuaciones representan las acciones de diferentes polvos de hornear:

Na2Al2(SO4)4+6NaHCO36CO2+ 4Na2SO4+ 2Al(OH)33CaH4(PO4)2H2O+8NaHCO38CO2+ Ca3(PO4)2+ 4Na2HPO4+ 11H2ONaH2PO4+NaHCO3CO2+ Na2HPO4+H2OKH2PO4+NaHCO3CO2+ KNaHPO4+ H2ONa2H2P2O7+2NaHCO32CO2+ 2Na2HPO4+H2OKHC4H4O6+NaHCO3CO2+KNaC4H4O6+H2OLos polvos de hornear no deben aportar menos de 12% de CO2, la mayor parte de estos contiene entre 26 y 29% de NaHCO3e ingredientes cidos para descomponer el bicarbonato y producir entre 14 y 15% de CO2. El resto, de 20 a 40% de la composicin es almidn de maz o harina.

Actividad pendienteEJERCICIOS1. Hacer una descripcin delproceso Leblanc.2.Hacer un listado de las reacciones posibles que conduzcan a la obtencin de carbonato de sodio y evaluarlas tcnicamente para poder llevarlas a escala industrial.3. Preparar el diagrama de flujo delproceso Solvaypara la manufactura de carbonato de sodio4.Preparar el diagrama de flujo del proceso para la manufactura de carbonato de sodio a partir del mineral trona.5.Hacer un listado de las reacciones posibles que conduzcan a la obtencin de Bicarbonato de sodio y evaluarlas tcnicamente para poder llevarlas a escala industrial.6. Preparar el diagrama de flujo delproceso Solvaypara la manufactura de Bicarbonato de sodio7. Preparar el diagrama de flujo del proceso propuestopor B. Borkowski y Jerzy Krl-Bogomilskiproceso Solvaypara la manufactura de bicarbonato de sodio

Ref. tem 3.7 de la referenciaActividad 2Proceso de produccin de un agente inorgnico industrial. (Para exposicin).Proceso de produccin de Cal, Yeso y Cemento.Proceso de produccin de Cermicos, Vidrios y Refractarios.