Fertil i Zantes

Operador de processos qumicos industriais

Fertilizantes

Juliano S.M.A

Uberaba, maro de 2015.

FERTILIZANTES

todo material que contenha pelo menos um macronutriente primrio em quantidade conhecida e em forma assimilvel pela planta.

1 Definio e classificao
NutrientesMacronutrientesPrimrios: N, P, KSecundrios: Ca, Mg, SMicronutrientesFe, B, Cl, Cu, Mn, Mo, Zn

A forma de expressar a quantidade de macronutrientes primrios em fertilizantes a seguinte:

%N; %P2O5; %K2O

Os fertilizantes se dividem em:
Fertilizantes simples (nitrogenados, fosfatados e potssio) Fertilizantes compostos.

FERTILIZANTES SIMPLES
NITROGENADOS: contm nitrognio (nitrato de amnio, uria, sulfato de amnio e nitroclcio);FOSFATADOS: contm fosfato (super simples, super triplo e termofosfato);POTSSICO: contm potssio (sulfato de potssio, K2SO4; cloreto de potssio, KCl)
*

FERTILIZANTES COMPOSTOS

Possuem mais de um macronutriente em sua frmula:
Slidos granulados: NPK em grnulos;Misturas: NPK em farelo ou granulado;Fluidos: NPK em soluo ou suspenses.

2 Propriedades fsicas dos fertilizantes

2.1 Empedramento: as partculas se agregam formando torres que dificilmente se quebram. Ocorre com o tempo em funo das reaes qumicas que ocorrem com a estocagem.

Umidade

Temperatura

Presso

Reaes

secundrias

Estocagem

Granulometria

2.2 Segregao

Separao fsica dos constituintes de um fertilizantes, ocorrendo sempre que houver mistura das partculas e propriedades fsicas diferentes como: densidade, forma das partculas, granulometria e movimentos de uma partcula sobre a outra (frico).
Separao devido vibraoSeparao devido ao efeito coningSegregao devido ao balstica

Segregao devido vibrao

Durante o transporte os fertilizantes esto sujeitos a vibraes. Essa segregao significante quando as partculas menores penetram nos espaos vazios deixados pelas partculas maiores.

Segregao devido ao efeito coning

Ocorre quando o material deixado cair das bicas de descarregamento ou das correias transportadoras, formando pilhas cnicas.

Escorregamento

de partculas grandes

Segregao devido ao balstica

Quando lanadas no ar por espalhadores convencionais, as partculas maiores tendem a alcanar maiores distncias que as menores

2.3 - Incompatibilidade

Fsica: algumas substncias so higroscpicas e outras no. Quando misturadas absorvem umidade, formando uma mistura pastosa de difcil distribuio.

b) Qumica: provocam o desprendimento do elemento qumico necessrio planta (N) ou a retrogradao, ou seja, converso da frmula primitiva em outra insolvel pela planta.

3 Funes dos macronutrientes

Nitrognio: promove a formao das protenas que fazem parte dos tecidos vegetais, sem nitrognio a planta no cresce.

Fsforo: estimula o desenvolvimento das razes e aumenta o perfilhamento. Contribui na formao dos gros e melhora seu valor nutritivo.

Potssio: provoca o espessamento dos tecidos, conferindo planta maior resistncia ao acamamento e s doenas. Diminui a perda de gua nos perodos secos.

PROCESSOS DE PRODUO DE SUPERFOSFATOS

Os superfosfatos so obtidos pelo ataque da rocha fosftica com cido sulfrico produzindo o superfosfato simples (SSP) e, com cido fosfrico produzindo superfosfato triplo (TSP).

Acidulao um processo no qual se baseia a adio de cido a uma rocha, a qual sofrer uma reao qumica produzindo-se uma nova substncia com propriedades qumicas e fsicas diferentes.

1 - Introduo

2 - Processo de acidulao

Obteno de SSP

Obteno de TSP

3 Reaes Qumicas

a) Para a obteno do SSP

4 Ca5(PO4)3F + SiO2 + 14H2SO4 + 6H2O

14CaSO4 + 6CaH4(PO4)2.H2O + SiF4

b) Para obteno do TSP

4 Ca5(PO4)3F + SiO2 + 28H3PO4 + 18H2O

20CaH4(PO4)2.H2O + SiF4

c) Reaes secundrias

1) 4 Ca5(PO4)3F + SiO2 + 8H3PO4 + 38H2O

20CaHPO4.2H2O + SiF4

2) 4 Ca5(PO4)3F + SiO2 + 14H2SO4 + 32H2O

6CaH4(PO4)2.H2O + 14 CaSO4.2H2O + SiF4

3) Fe2O3 + 2H3PO4 FePO4.H2O + H2O

4) Al2O3 + 2H3PO4 2Al(PO4).H2O + 2H2O

Comportamento geral na acidulao

M

M

Rocha + cido

Liberao

de calor

Absoro do calor pela gua presente na rocha e evaporao contnua

Fluido + plstico

Slido

Correia de reao (DEN)

Correia de reao (DEN)

Variveis do processo

Granulometria da rocha fosftica;

Concentrao do cido sulfrico (SSP);

Concentrao em P2O5 do cido fosfrico (TSP);

Temperatura do cido fosfrico (TSP);

Tempo de residncia na correia de reao;

Tempo de cura.

Processo de cura

Ao final da correia de reao, o produto encontra-se na fase slida. Ento ele desintegrado num cortador de grumos, descarregado em outra correia e direcionado ao armazm de cura.

O processo de cura consiste na continuao das reaes que no se completaram na correia de reao, devido a presena de acidez residual, gua livre e rocha fosftica no reagida.

PRODUO DE MAP

FOSFATO MONOAMNIO

Fosfato de monoamnio

um fertilizante NP, obtido atravs da reao entre cido fosfrico e amnia

1 NH3 + 1 H3PO4 1 NH4H2PO4 +

Amnia + cido

fosfrico

MAP + CALOR

MAP: mono amonium phosphate

Processo em p
NH3 + H3PO4 so
misturados no reator;

2) A mistura cai em queda livre de uma torre e, a energia liberada vaporiza a gua contida na reao e, posteriormente, o material segue pra secagem;

3) Lavagem de gases

Processo tipo granulado

NH3 + H3PO4 so misturados no reator pipe e a suspenso produzida aspergida no granulador rotativo;

2) Em funo da umidade, do movimento rotativo e da energia gerada, formam-se os grnulos;

GRANULAO

Por que Granular?
Melhoria do aspecto fsico do fertilizante com respeito estocagem, eliminando ou reduzindo os problemas de empedramento e compactao;Melhoria das propriedades fsicas do produto com reduo e/ou eliminao da pegajosidade facilitando a dosagem e a aplicao do fertilizante no campo;Reduo ou eliminao dos nveis de poeiras fugitivas nas unidades de produo e ensaque bem como no campo durante a aplicao.

O que granulao?

uma operao que consiste na formao, cristalizao ou aglomerao de um material, ou vrios materiais slidos e/ou fluidos, para formar grnulos de dimetro maior, mais uniforme e com aspecto fsico mais adequado as operaes de secagem, classificao, manuseio e transporte, do que os materiais inicialmente envolvidos.

Vantagens de se granular
Reduzir a contaminao por poeiras incmodas as instalaes das fbricas; Facilitar a manuteno da higiene local;Facilitar o controle de qualidade do ar, que em alguns casos, impossvel reduzir com equipamentos de controle ambiental;Reduzir o risco de exploses decorridas da mistura de poeiras com o ar; Possibilitar o reprocesso de rejeitos industriais;No caso de produtos farmacuticos e agrcolas, o aumento do tamanho do gro pode retardar sua ao.

Mecanismos de Granulao

1 - Nucleao

As pequenas partculas na fase lquida so mantidas unidas pela tenso superficial;

A nucleao independente do tempo de reteno, da velocidade de rotao do granulador e da carga deste.

2 - Coalescncia

Material no tambor s est oscilando sem rodar. Nvel de energia cintica muito baixo.

B)

A)

Material no tambor est rodando mas sem cascata. Nvel de energia cintica um pouco mais alta.

C)

Material mostrando a cascata e rodando, que aumenta o nvel de mistura e o nvel de energia cintica.

Grnulos maiores A e B

Grnulos finos gerados por colises entre os grnulos maiores

Diviso ou reposio

um mecanismo, que ocorre durante a granulao onde gros maiores fazem uma moagem dos gros menores atravs do cascateamento e, os finos gerados so redistribudos acima das partculas maiores.

Deposio

Com o cascateamento contnuo h a formao de uma nuvem de material fino resultante do processo de diviso. Com a presena da fase lquida, vapor e/ou outras substncias ocorre a deposio destas partculas finas sobre a superfcie dos gros maiores.

Fatores determinantes na granulao

Umidade;

Granulometria e textura das matrias primas;

Velocidade de rotao e grau de enchimento do granulador;

Temperatura de granulao;

Vazo de gases no tambor.

Umidade: propicia a ocorrncia dos mecanismos
de aglomerao, coalescncia e deposio.
Misturas muito midas formam grnulos grandes e frgeis;Misturas sem umidade adequada geram gros
pequenos, porque o material desliza pelo tambor em vez de rolar em cascata.

b) Granulometria e textura das matrias primas:

Deve-se situar abaixo da especificao do produto que se deseja obter, pois, os gros iro aumentar de tamanho.

*

c) Velocidade de rotao e carga no tambor

Quanto maior a rotao, maior a taxa de deformao dos gros;

A taxa de crescimento dos grnulos aumenta com o aumento de carga no tambor.

d) Temperatura

A elevao da temperatura aumenta a solubilidade das matrias primas, entretanto, deve-se trabalhar com temperaturas abaixo de 95 C para evitar perda de gua.

e) Vazo de gases no tambor

Com a introduo dos reatores e utilizao de porcentagens maiores de amnia, esse fator ficou cada vez mais crtico. Este fluxo de ar tem as seguintes funes:
Eliminao de gua;Eliminao de calor.
As duas funes ajudam no resfriamento do granulador, reduzindo as necessidades de reciclo e reduzindo as perdas de amnia.

SECAGEM

Definio de secadores

So equipamentos utilizados para secar produtos atravs da transferncia de um lquido que est slido (molhado) para uma fase gasosa no saturada.

Existem dois tipos de secadores encontrados em indstrias de fertilizantes:
Tambores rotativos, para fertilizantes granulados;Flash dryer, para secagem de rocha fosftica

Teoria da secagem

a transferncia simultnea de calor e massa, onde a umidade presente no slido absorve o calor cedido pelos gases quentes e se evapora, operando com base nos seguintes parmetros:
Temperatura dos gases de secagem e do slido entrada do secador;Vazo dos gases de secagem;Teor de umidade nos gases e teor de gua presente nos slidos;Tempo de contato entre slido e gs e superfcie de contato.

Secagem de fertilizantes granulados (Tambor rotativo)

1 fase: taxa de secagem constante e a troca de massa controlada pela umidade relativa e a velocidade dos gases de secagem;

2 fase: a taxa de secagem decrescente, o material apresenta superfcie seca, sendo a transferncia de massa controlada no interior do slido por mecanismo de difuso.

Mecanismo de difuso

Tambor rotativo

Tambor cilndrico apoiado sobre mancais que permitem que o tambor deslize, atravs de um acionamento por motor eltrico, sobre mancais, realizando o movimento de rotao.

Internamente o tambor possui flights, que so haletas que trabalham promovendo o cascateamento do produto, permitindo maior contato entre o gs e slido:

Processo de secagem

Tratamento de gases

Alimentao da secagem

A alimentao varia em funo da umidade do concentrado, limitada a 15%. Quanto maior a umidade, menor ser a alimentao e maior ser o consumo de combustvel, consequentemente, maior custo de rocha seca.

Peneiramento

Consiste na separao de uma mistura de grnulos com o objetivo de obter de uma ou mais fraes de partculas com tamanhos mais homogneos.

Tela, trama e malha da peneira

Tela: a prpria superfcie de peneiramento, onde se d o processo de separao. Podem ser de fios metlicos, de seda, nilon ou uma rede de barras.

Trama: o ponto de amarrao entre os fios (ns). O desgaste das tramas causa queda na eficincia de peneiramento.

Malha: refere-se ao formato das tramas de uma tela. Uma peneira pode apresentar telas com malha quadrada ou retangular.

Eficincia de peneiramento

Arraste de finos

Constitui aquelas partculas que foram arrastadas juntas com a corrente de grossos. O arraste de finos constitui uma perda da eficincia de peneiramento.

O arraste de finos pode ser ocasionado por:
Aderncia do p s partculas maiores;A aglomerao de vrias partculas pequenas, por coeso ou foras de qualquer outra natureza pode dar origem a um aglomerado impossvel de passar pelas malhas da peneira;Aderncia de p aos fios que compe as malhas;Malhas podem estar irregulares.

Arraste de grossos

Constitui aquelas partculas grossas que foram arrastadas juntas com a corrente de finos. O arraste de grossos tambm constitui uma perda na eficincia do peneiramento.

As principais causas so:
Irregularidade das malhas;Incidncia favorvel de partculas grossas cuja dimenso no seja muito diferente do dimetro da peneira;Carga excessiva de material na peneira, pode forar algumas partculas a passar indevidamente pelas malhas.

Tipos de peneiras

Na indstria de fertilizantes as peneiras mais comumente utilizadas so:
Vibratrias horizontais;Vibratrias inclinada de alta velocidade;Giratrias ou eletromecnicas.

Moagem

A moagem consiste num processo de fragmentao de slidos, ou seja, a quebra de partculas slidas em partculas menores.

Os slidos podem sofrer reduo atravs de vrios tipos de mecanismos:
Compresso;Impacto;Atrito;Corte.

Equipamentos empregados na moagem

Moinho de correntes

O moinho de correntes apresenta dois mecanismos:
Por impacto: as correntes esto presas em dois eixos que giram em sentido oposto, gerando uma malha de correntes por onde as partculas ao passarem recebem o impacto da corrente e so arremessadas para baixo contra as paredes do prprio moinho.Por atrito: as partculas so arremessadas umas contra as outras aps o impacto.

Moinho de rolos

Fragmentam as partculas por compresso. As partculas so obrigadas a passar entre os dois rolos com abertura especfica, onde so comprimidos at fragmentao.

Moinho centrfugo

PROCESSO DE FABRICAO DE CIDO SULFRICO

O cido sulfrico um cido mineral forte obtido atravs da reao entre enxofre (S), oxignio (O) e gua (H2O). Frmula molecular: H2SO4 Aparncia: lquido oleoso Ponto de fuso: 10,31C Densidade: 1,8302 g/cm3 Solubilidade: totalmente solvel em gua
cido sulfrico - Caractersticas

Produo mundial de H2SO4

Importao de cido sulfrico pelo Brasil

Matria-prima

A matria-prima utilizada o enxofre com as seguintes caractersticas:

Pureza: 99,5%;

Densidade: 1,3-1,4 t/m3 (slido, densidade aparente);

Densidade: 1,78-1,80 tm3 (fundido 120-150 C);

Ponto de fuso: 118,9 C;

Calor de fuso: 37 kcal/kg de enxofre (base seca)

Produto

O cido sulfrico produzido apresenta as seguintes caractersticas:
Concentrao: 98,0% a 98,5% (em peso);Densidade: 1,834 t/m3 (40 C)

Obteno do cido sulfrico pelo processo de contato
O enxofre queimado em uma cmara em contato com O2, onde vaporizado pelo prprio calor produzido, gerando dixido de enxofre:
S(s) + O2(g) SO2(g) + Calor
Oxidao do SO2 com a utilizao de um catalisador:
2SO2 + O2(g) V2O5 2SO3(g)


SO3(g) + H2O(l) H2SO4(l)
Lavagem do trixido de enxofre com gua ou soluo de cido sulfrico:A dissoluo direta do SO3 em gua no vivel por ser uma reao muito exotrmica, formando-se uma nvoa ao invs de um lquido. Assim, o SO3 absorvido pelo cido sulfrico, formando oleum:


H2SO4(l) + SO3(g) H2S2O7(l)

Que reage com a gua, formando cido sulfrico concentrado:

H2S2O7(l) + H2O(l) 2H2SO4(l)

A produo de cido sulfrico pelo processo de contato envolve os seguintes estgios bsicos:

Estgios bsicos

- Purificao e Combusto do Enxofre

- Converso do SO2

- Absoro do SO3

Purificao e Combusto do Enxofre
Inicialmente so realizadas as operaes de fuso, sedimentao e filtrao do enxofre, com a finalidade de remover as impurezas presentes no material.As impurezas solveis no enxofre so constitudas geralmente por leo, gases, arsnio, selnio e o telrio. As impurezas insolveis so umidade, cido e materiais slidos, so mais facilmente removveis.

A umidade proveniente da chuva, quando presente nos gases de combusto, combina-se com o SO3 gerado no processo produzindo vapores de H2SO4, sendo estes indesejveis, pois, causam corroso.As partculas slidas incorporadas ao enxofre pelo vento e pela chuva, se no removidas, so arrastadas atravs da instalao pelos gases efluentes do forno de combusto de enxofre, formando cinzas e, estas, separadas pela sedimentao e filtrao.

procedida em reservatrio solidrios ao tanque de fuso, de onde o enxofre lquido flui por gravidade. As partculas slidas tendem a depositar-se no fundo dos reservatrios, enquanto o enxofre sobrenadante bombeado para processamento.

Sedimentao

Filtrao

Envolve o uso de filtros sob presso.



No forno, a operao de combusto de enxofre processada em duas etapas. Primeiramente, o enxofre lquido vaporiza-se por absoro do calor contido na cmara, para depois reagir com o oxignio do ar formando SO2. De acordo com a forma de vaporizao do enxofre, os fornos podem ser classificados nos seguintes tipos:

- piscina

- cascata

- atomizador

No primeiro tipo, o enxofre vaporizado pela ao do calor sobre o enxofre lquido contido em uma ou mais piscinas situadas no interior do forno.No segundo tipo, o enxofre lquido flui em forma de cascata, vaporizando-se por absoro do calor nas paredes e partes internas do forno.O terceiro tipo de forno caracteriza-se pela vaporizao do enxofre sob a forma de uma nuvem de minsculas gotculas suspensas na massa gasosa.

Converso do SO2

Neste estgio, o gs resultante da combusto de enxofre passa atravs de uma massa cataltica onde o SO2 convertido a SO3.

Para essa converso so utilizados os seguintes catalisadores:
Platina
usados at 1920
xido de ferro Pentxido de vandio (V2O5)

A reao de oxidao de SO2 a SO3 libera uma considervel quantidade de calor, o que provoca, em consequncia, elevao da temperatura do meio reacional.
Converso do SO2
O aumento da temperatura atua desfavoravelmente no sentido de formao do SO3, ou seja, reduz a gerao do produto que se deseja maximizar. Em relao ao catalisador, nota-se que h um aumento de sua atividade com acrscimo de temperatura.

Converso do SO2
Na prtica, nos catalisadores convencionais a velocidade de reao praticamente nula abaixo de 400oC (V2O5 torna-se insolvel nessa temperatura). Desde 1947 a indstria de catalisador vem estudando o uso de Csio como promotor de catalisadores de V2O5. O csio evita a cristalizao do V2O5 a 400oC, permitindo que o catalisador fique ativo a temperatura de at 360oC.

Converso do SO2
Altas concentraes de SO2 podem elevar a temperatura da massa cataltica acima de 650oC danificando-a irreversivelmente. Assim, so adotados dois mtodos de controle de temperaturas; Resfriamento direto: provocado pela injeo no conversor de um gs frio, normalmente ar seco.
b) Resfriamento indireto: so utilizados trocadores de calor, que podem estar fisicamente localizados dentro ou fora do conversor.

Absoro do SO3
O gs proveniente do conversor borbulhado em contracorrente com o cido sulfrico concentrado, atravs de uma torre recheada.O SO3 presente nos gases reage com gua de diluio do cido, formando novas molculas de cido. Diversos fatores influem na eficincia da operao de absoro, sendo os mais importantes a temperatura, a concentrao do cido usado, a umidade do gs a ser absorvido e a distribuio de cido no material de recheio da torre.

Absoro do SO3

As baixas temperaturas favorecem a absoro e, como a presso de vapor do cido sulfrico funo direta da temperatura, a quantidade de cido vaporizada no gs diminui - com consequente aumento da eficincia da operao - medida em que a absoro do SO3 conduzida temperatura reduzida.

Temperatura

Absoro do SO3

A experincia demonstra que a absoro mais eficiente, quando empregado cido sulfrico entre 98 e 99% de concentrao, como agente absorvente do SO3.

cidos mais diludos ou ento a presena da umidade no gs provoca a formao de gotculas de cido sulfrico, que, arrastadas pela massa gasosa, representam um problema operacional de razovel gravidade, principalmente em unidade que utilizam o processo de duplo contato.

Concentrao

Absoro do SO3

Outro importante fator que controla a eficincia da operao de absoro a distribuio do fluxo de cido sulfrico sobre o recheio da torre. Este fator conhecido como "grau de molhamento", medido em volume de cido por unidade de rea da seo transversal da torre, e deve oscilar entre um mximo, que funo da perda de carga do gs, e um mnimo ditado pela prtica operacional.

Fluxo do cido

Absoro do SO3

Os recheios mais comumente usados so Selas Intalox, de 2 a 3 polegadas de cermica e anis bipartidos de 4, 6 e 8 polegadas.

Recheio da torre

Em uma torre idntica de absoro do SO3 procedida a secagem do ar atmosfrico empregado na operao de combusto do enxofre e, tambm, em alguns casos, como agente resfriador dos gases processados no conversor cataltico.

Absoro do SO3
Na operao de secagem, um soprador, normalmente acionado por uma turbina a vapor d'gua, comprime o ar que borbulha em contra corrente com cido sulfrico concentrado, atravs do material de recheio da torre. A temperatura no deve ultrapassar 60oC, para evitar os inconvenientes de uma elevada presso de vapor, tanto do cido como da gua. A grau de molhamento, como na torre de absoro, varia entre um valor mnimo, ditado pela prtica, e um valor mximo, funo de perda de carga da corrente de ar atravs da torre de secagem.

Absoro do SO3
O cido sulfrico diludo pela umidade do ar acumulado em um tanque, que recebe tambm o cido proveniente da torre de absoro. Como o cido de tanque de acumulao torna-se com o tempo cada vez mais concentrado, necessrio adicionar um diluente, de modo manter constante sua concentrao. Este diluente pode ser gua tratada ou cido sulfrico diludo.

Absoro do SO3
Tanto a absoro como a secagem so operaes exotrmicas, que liberando calor, aumentam a temperatura do cido efluente das torres. De modo a manter constante a temperatura do sistema de circulao, o cido resfriado em trocadores de calor, por meio de gua bruta temperatura ambiente.

Absoro do SO3
O cido sulfrico produzido pela unidade continuamente bombeado, atravs de um sistema de resfriamento a gua, para tanques de armazenagem, de forma a manter constante o nvel de lquido no tanque de acumulao.

ATIVIDADE

De acordo com os processos de produo de fertilizantes e de cido sulfrico apresentados, faa uma breve discusso de ambos de forma separada.

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Fertil i Zantes