SIMULACIÓN APLICADA AL DISEÑO DE UN EVAPORADOR DE ÁCIDO FOSFÓRICO PARA LA OBTENCIÓN DE SUPERFOSFATO TRIPLE DE CALCIO

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1 SIMULACIÓN APLICADA AL DISEÑO DE UN EVAPORADOR DE ÁCIDO FOSFÓRICO PARA LA OBTENCIÓN DE SUPERFOSFATO TRIPLE DE CALCIO De la Torre María José, Maldonado Patricia Alumnas avanzadas de la carrera de Ingeniería Química Facultad Regional Villa María UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL Av. Universidad 450 (X5900HLR) Villa María, Córdoba, Argentina. Tel Tutor: Mg. Luis A. Toselli Resumen La producción de SFT (superfosfato triple de calcio) consta de dos etapas principales: en la primera, reacciona roca fosfórica con ácido sulfúrico para obtener ácido fosfórico al 50% P/P (proceso húmedo), y en la segunda, se obtiene el fertilizante propiamente dicho (superfosfato triple de calcio) por reacción de ácido fosfórico con roca fosfórica. Para ésta última reacción, es fundamental que el citado ácido, se encuentre aproximadamente al 78% P/P. Por lo tanto se debe considerar una etapa intermedia de concentración entre éstas reacciones. Uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta en la evaporación, es que el ácido fosfórico a cualquier concentración resulta muy agresivo y ataca a los materiales convencionales a velocidades elevadas, lo cual resulta antieconómico si se considera la vida útil del equipo. En el presente trabajo, se ha utilizado el software CHEMCAD 5.2 TM con el fin de diseñar el sistema evaporador que reúna las condiciones técnico-económicas acorde a los parámetros de operación establecidos. Además, por las razones antes mencionadas, se ha realizado el análisis y selección de materiales de construcción posibles. Palabras claves: Evaporación; ácido fosfórico; superfosfato triple Introducción El superfosfato triple de calcio es un fertilizante que se obtiene por reacción química entre roca fosfórica y ácido fosfórico. Este último, se obtiene por el denominado proceso húmedo, el cual consiste en una reacción entre ácido sulfúrico y roca. El ácido fosfórico producido de ésta manera, no posee la concentración deseada para la primera reacción enunciada. Por lo tanto, es necesario considerar la evaporación del mismo como una etapa fundamental del proceso. Esta evaporación es difícil y costosa debido a la naturaleza corrosiva del ácido y la presencia de hierro, aluminio, flúor y otras impurezas. Se han empleado varios tipos de evaporadores de calentamiento directo y combustión sumergida, pero los evaporadores al vacío de circulación forzada son los más aceptados. [EFMA, 2000] [Kern, 1999] [Walas,1992 ] En el presente trabajo se realiza el diseño de un evaporador de circulación forzada y se analiza la posibilidad de integrar energéticamente el proceso precalentando la mezcla a concentrar con la corriente de cabeza proveniente de dicho equipo. Se selecciona, además el material de construcción mas adecuado para tal fin. Este trabajo se plantea en el contexto del proyecto final de grado de la carrera de Ingeniería Química, denominado Obtención de superfosfato triple de calcio, el cual se encuentra actualmente en desarrollo por las autoras.

2 Metodología El objetivo principal de éste trabajo es lograr el diseño de un evaporador de circulación forzada, que permite obtener una solución de ácido fosfórico a la concentración requerida para la reacción de formación del fertilizante en cuestión. Se ha utilizado el módulo de diseño CCTHERM TM, el cual es un componente integrado al sistema CHEMCAD TM para simulación de procesos de ingeniería. Este permite diseñar una amplia variedad de intercambiadores de calor de tubo y coraza ingresando datos de proceso tales como: corrientes de entrada, condiciones operativas y características del producto concentrado. Dicho módulo genera como resultado valores óptimos de parámetros tales como tamaño de la coraza, longitud de tubos, y espaciamiento de bafles, entre otros. [Chemstations, 1995]. Los datos de propiedades térmicas de los componentes involucrados se disponen en la base de datos con que cuenta el programa. Desarrollo En primer lugar, se ha realizado el desarrollo de un modelo de simulación del proceso considerado y luego el diseño de un evaporador de circulación forzada para kg/h de una solución de ácido fosfórico al 50% P/P. En la figura 1 se muestra un modelo equivalente que asocia la etapa de intercambio seguida de la separación gas líquido a efectos de visualizar acabadamente la operatoria del proceso. La corriente de vapor generada será utilizada para precalentar la alimentación, reduciendo de esta manera el consumo de vapor en el evaporador. El diagrama de flujo correspondiente a dicho proceso se muestra en la Figura 1 Corriente Nro. Descripción 1 Alimentación ácido diluido 2 Ácido diluido precalentado 3 Ácido concentrado (mezcla L-V) 4 Ácido concentrado 5 Agua evaporada 6 Condensado 7 Vapor saturado 8 Condensado Figura 1: Diagrama de flujo Evaporación de ácido fosfórico proveniente del proceso húmedo Cabe aclarar que la composición de la corriente de entrada contiene, además de una solución acuosa diluida de ácido fosfórico, impurezas pertenecientes a la roca fosfórica que no ha reaccionado en la etapa anterior. Tales impurezas generan incrustaciones, las cuales pueden ser evitadas efectuando una purga de manera regular.

3 En el modelo desarrollado no se consideran dichas impurezas debido a que si se manejan de manera adecuada, no generan incrustaciones que afectarían al diseño del intercambiador y sólo plantean una dificultad operativa. Se ha seleccionado el material de construcción del evaporador mas apropiado para las condiciones de proceso. En general, la corrosión puede plantearse como la reacción química entre el material de construcción de un equipo y los productos químicos con los que está en contacto. Ya que la corrosión es un proceso electroquímico, un camino evidente para evitarla es el empleo de materiales químicamente resistentes. El problema es que en muchos casos, no reúnen aquellas otras condiciones adecuadas como para satisfacer los requerimientos de servicio. El objetivo en último término, consiste en seleccionar el material más económico compatible con las demandas y especificaciones de la aplicación en particular. De la gran variedad de materiales existentes, solo algunos tipos de aceros inoxidables y el grafito impregnado con resinas, resultan compatibles con la solución de ácido fosfórico a concentrar. Los aceros inoxidables son una gama de aleaciones que contienen un mínimo de 11% de cromo. Este forma en la superficie del acero una película pasivante, extremadamente delgada, continua y estable. Tal película deja la superficie inerte a las reacciones químicas. [Perry, 1992] Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables. El extenso rango de propiedades y características secundarias, hacen de ellos un grupo de aceros muy versátiles. Existen tres tipos de aleaciones principales que se diferencian en el contenido de cromo y carbono: aceros inoxidables martensíticos, ferríticos y austeníticos. Éstos últimos, contienen además de cromo, un alto porcentaje de níquel y molibdeno lo cual los convierte en los aceros inoxidables más resistentes a la corrosión. El grafito es general, completamente inerte y resistente a las condiciones oxidantes más severas. Esta propiedad, combinada con la excelente transferencia de calor hace que el material sea muy popular en la construcción de equipos de intercambio de calor. Sin embargo, una limitación importante es su escasa resistencia mecánica. Para superar este inconveniente, se impregna el grafito con algún tipo de resina específica según las condiciones de proceso. [Rumford, 1964.] Para el ácido concentrado en ebullición, el material ideal es el grafito unido con resina natural (denominado comercialmente como Karbate ). Generalmente, se ha adoptado el Karbate y similares para el manipuleo del ácido fosfórico a cualquier concentración y temperatura. Los equipos estándar para la concentración de dicho ácido por evaporación, se construyen con tubos de Karbate insertos en cabezales de carbono ó plomo duro, y paredes revestidas con bloques de carbono y resina. En la tabla 1, se resumen las características principales de los materiales descritos. Tabla 1: Comparación de propiedades de materiales de construcción Propiedad Acero inoxidable Grafito combinado con resina Peso específico 7,93 1,8 Carga de ruptura (Kg/cm 2 ) > Conductividad térmica (cal.m/m 2 h C) Expansión térmica (cm/cm C) 1, , Análisis de resultados Para cuantificar la efectividad de la integración energética, se simularon dos modelos. En el primero, no se precalienta la alimentación al evaporador y en el segundo, la corriente de cabeza proveniente del separador se utiliza para vaporizar parcialmente dicha alimentación. Esto se llevó a cabo combinando diferentes valores de presión y temperatura de operación para alcanzar la concentración requerida del producto. A modo de resumen se presenta la siguiente tabla.

4 Tabla 2: Comparación de resultados obtenidos Integración energética Calor necesario (Kcal/h).10-6 Caudal de vapor (kg/h) NO 6, SI 1, Nota: presión de vapor 3.97 bar (143 C). Como puede verse, precalentando la alimentación se puede obtener un ahorro en vapor del 83%, lo cual es equivalente a una reducción en el caudal del mismo de 9966 kg/h. En el segundo modelo simulado integrado energéticamente se ha utilizado una combinación de valores de presión y temperatura de operación diferentes a los correspondientes al primer modelo analizado, resultando, para el caso modelo planteado bajo las nuevas condiciones operativas, un área de transferencia menor. Conclusiones - Si bien la evaporación de soluciones acuosas de ácido fosfórico a temperaturas elevadas no es sencilla, es factible llevarla a cabo considerando ciertos aspectos desde el punto de vista operativo, tales como la utilización del material de construcción adecuado y la eliminación o purga de impurezas de manera regular. - Mediante la utilización de la simulación, se logra analizar de manera adecuada la influencia de los cambios en las variables operativas sobre diferentes aspectos de proceso tales como caudal y concentración de producto, consumo de vapor entre otros. - Se selecciona como material de construcción el grafito combinado con resina debido a su elevada resistencia a la corrosión y su gran capacidad de transferencia de calor. - Desde el punto de vista económico, el material seleccionado tiene un costo relativamente elevado con lo que la disminución en el área de transferencia requerida para el evaporador como así también en el consumo de vapor, cuando el proceso se integra energéticamente se convierten en los aspectos prioritarios del proceso en cuestión. Referencias European Fertilizer Manufacturer s Association (EFMA). Production of Phosphoric Acid. Bélgica, pág Chemstations, User Guide Chemcad 5.2. Houston, Texas 77042, U.S.A., 1995 Rumford, Frank. Materiales de Ingeniería Química. Segunda Edición. Ed. Universitaria de Buenos Aires, pág Perry, Robert. Manual del Ingeniero Químico. Sexta edición. Ed. Mc Graw Hill, Tomo I: Sección 10(pág ) Sección 11(pág 34-39). Tomo II: Sección 23 Walas, Stanley M. Chemical Processes Equipment. Selection and Design. Butterworth Heinemann Series in Chemical Engineering, pág Kern, Donald. Procesos de Transferencia de Calor. Ed. Mc Graw Hill. México,1999. pág

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