PENEIRAMENTO NA FABRICAÇÃO DO SUPERFOSFATO TRIPLO

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1 PENEIRAMENTO NA FABRICAÇÃO DO SUPERFOSFATO TRIPLO A. M. RODRIGUES 1, G. P. RIBEIRO 2, J. R. D. FINZER 1 e E. P. TEIXEIRA 3 1 Universidade de Uberaba, Departamento de Engenharia Química 2 Universidade Federal de Uberlândia, Departamento de Engenharia Química 3 Universidade de Uberaba, Departamento de Engenharia de Computação para contato: le_rodrigues12@hotmail.com; gustavopribeiro@gmail.com; jrdfinzer@uol.com.br; edilberto.teixeira@uniube.br RESUMO O superfosfato triplo (TSP) é um dos tipos de fertilizantes fosfatados, que é obtido através do ataque ácido da rocha fosfática com o ácido fosfórico. Essa reação ocorre em um reator constituído por uma correia transportadora denominada Den. O material ao final dessa correia passou pelos estados fluido e plástico e encontra-se no estado sólido. Segue-se a ação de um degrumador e obtém-se o TSP em pó, que é enviado para uma pilha de cura, para finalizar a etapa reacional. O TSP pode ser comercializado na forma de pó ou grânulos, sendo a mais comum em grânulos. Para obtenção do TSP granulado o TSP em pó passa um uma sequência de etapas que se inicia com a granulação do TSP em um granulador rotativo. Os grânulos são alimentados em secador de tambor rotativo. O material seco alimenta duas peneiras que operam em serie e fazem a separação granulométrica do material. O material na granulometria desejada é alimentado em um resfriador, do tipo tambor rotativo, e a descarga consiste no TSP granulado. O objetivo desse trabalho foi analisar a etapa de peneiramento efetuando-se cálculos com aplicação de balanço de massa, visando obter a eficiência de peneiramento industrial do TSP granulado. A eficiência da peneira A e da B foram 38,50% e 30,91% e o segundo deck de cada peneira foi dominante na quantificação da eficiência, devendo ser submetido a aperfeiçoamentos para que a eficiência do conjunto seja melhorada. 1. INTRODUÇÃO Os fertilizantes minerais fosfatados possuem o fósforo como seu macronutriente primário. São obtidos a partir do processamento de rochas naturais ricas em fosfato, e possuem algumas rotas de produção que determinam certas características do produto final (Dias e Lajolo, 2010). Os principais tipos de fertilizantes fosfatados são: superfosfato simples (SSP), superfosfato triplo (TSP), fosfato monoamônico (MAP), fosfato diamômico (DAP), termofosfatos e rocha fosfática parcialmente acidulada (Kulaif, 1999).

2 A produção de fertilizantes fosfatados pode ser feita por via úmida ou térmica. No Brasil utilizase a via úmida, devido entre vários fatores a qualidade e o teor da rocha fosfática. No processo por via úmida é realizado a acidificação do concentrado de rocha fosfática com ácido sulfúrico, que pode produzir os SSP, a rocha fosfática parcialmente acidulada e o ácido fosfórico (Kulaif, 2009). As matérias-primas utilizadas na produção dos fertilizantes fosfatados se classificam em matérias-primas básicas e intermediárias. As básicas compreendem a rocha fosfática, o enxofre, gás natural e subprodutos das refinarias de petróleo; e as intermediárias compreendem o ácido sulfúrico, o ácido fosfórico e a amônia anidra (Lapido-Loureiro e Melamed, 2006). Na produção do superfosfato triplo as matérias-primas básicas são a rocha fosfática e o enxofre, e as intermediárias são o ácido sulfúrico, e o ácido fosfórico (Kulaif, 1999). O objetivo desse trabalho foi analisar a etapa de peneiramento visando obter a eficiência de peneiramento industrial do TSP granulado Matérias-Primas A rocha fosfática é a única fonte de fósforo economicamente viável, e se encontra em depósitos de origem ígnea e sedimentar. Para obtenção do concentrado fosfático usado na produção do TSP, a rocha fosfática deve ser beneficiada, o que eleva o teor de P 2 O 5 contido no minério através de operações industriais (Monteiro, 2008). O enxofre é a segunda matéria-prima básica na produção do TSP (DNPM, 2014). Segundo Monteiro (2008) as etapas do processo produtivo são: fusão e filtração do enxofre, combustão, conversão do SO 2 em SO 3, absorção do SO 3 e resfriamento e estocagem do ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ). Na obtenção de ácido fosfórico o concentrado de rocha fosfática reage com ácido sulfúrico, sendo o produto principal o ácido fosfórico diluído (Rodrigues, 2011) Fabricação de Superfosfato Triplo O superfosfato triplo (TSP) é obtido pela reação entre o concentrado de rocha fosfática e o ácido fosfórico, e é considerado um fertilizante mais concentrado devido ao seu teor de P 2 O 5 hidrossolúvel variar entre 44% e 48% (Kulaif, 2009) e a granulação do TSP é essencial para garantir um produto final de boa qualidade (Gonçalves, 2011). A granulação do TSP ocorre via úmida, onde um material ligante, geralmente líquido, é alimentado junto com a mistura de pós em um granulador, geralmente do tipo rotativo. O ligante tem a finalidade de promover a adesão entre as partículas de pó, ocorrendo aglomeração dando origem aos grânulos (Bernardes, 2006). Os grânulos formados são secos em secador rotativo, por convecção, onde uma corrente de ar quente escoa pelos grânulos úmidos. Para possibilitar um maior contato entre o sólido e o gás o secador possui suspensores para promover o cascateamento (Fernandes, 2011). Os grânulos secos alimentam uma ou mais peneiras, sendo os tipos mais comuns na indústria de fertilizantes as peneiras vibratórias horizontais, inclinadas e giratórias ou eletromecânicas. Na

3 separação do TSP a peneira vibratória horizontal é a mais utilizada. Tal peneira é composta por duas superfícies peneirantes, chamadas de decks, onde se obtém três frações do material, sendo uma das frações o produto desejado para ser comercializado, conforme apresenta a Figura 1 (Vale, 2003). Figura 1 - Peneira de duplo deck (Carrisso e Correia, 2004) 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Sistema de Peneiramento O sistema de peneiramento avaliado é composto por duas peneiras independentes, trabalhando em paralelo. As peneiras foram chamadas de peneiras A e B, o produto dessas peneiras se misturam, originado um produto composto, que será comercializado. As frações de finos e de grossos são alimentadas em uma corrente de reciclo, os finos são alimentados diretamente no granulador e os grossos passam por um moinho de correntes e também retornam ao granulador. Cada peneira é composta por dois decks (superfícies peneirantes), no primeiro deck (equivalente a 5 malhas) tem-se a separação das maiores partículas, que geram a primeira corrente de refugo. O peneirado alimenta o segundo deck (equivalente a 10 malhas), sendo o peneirado dessa secção a corrente de refugo de finos e o retido é o produto desejado. Na prática industrial essa separação não é perfeita, mas é preciso ser controlada para garantir que o produto atenda as especificações exigidas, e para fazer esse controle faz-se o cálculo da eficiência da peneira Cálculo da Eficiência das Peneiras A Equação 1 determina a eficiência de uma peneira (McCABE et al., 2001).

4 [ ] (1) Onde x p é a fração em massa do material desejado(produto) no produto; x f é a fração em massa do material desejado na alimentação da peneira; x r a fração em massa do material desejado no refugo. Para obter os valores das grandezas acima se realiza um balanço de massa global em cada peneira. Nesse trabalho, a taxa de material alimentada por hora foi usada como base de cálculo. Por balanço de massa determinou-se a taxa de produto, grossos e finos em cada peneira e determinou-se os valores das variáveis x p, x f e x r e quantificou-se a eficiência de cada peneira pela Equação 1. Para determinar a eficiência de cada deck faz-se o mesmo procedimento, diferenciando-se apenas que cada deck deve ser avaliado isoladamente do outro. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os dados usados para determinação da eficiência foram obtidos a partir de análise granulométrica laboratorial de amostras da unidade de peneiramento industrial do TSP. Foi utilizada uma amostra para cada uma das peneiras, e, os resultados são apresentados nas Tabelas 1 e 2 (F é a alimentação, Gr consistem nos grossos, Fi nos finos e Pr a fração percentual do produto, obtida por balanço de massa). Tabela 1 Composição em porcentagem mássica da Amostra das Peneiras A e B Malha ABNT F Gr Fi Pr F Gr Fi Pr 5 12,57 96,72 0,51 4,42 14,81 96,87 1,70 5,14 6 8,74 3,10 3,79 14,87 9,23 3,04 6,68 21, ,88 0,09 48,03 71,80 44,76 0,03 46,80 68, ,98 0,03 27,25 8,25 19,16 0,01 23,86 4, ,10 0,03 10,84 0,61 6,75 0,01 10,50 0, ,96 0,01 8,09 0,03 4,67 0,01 8,68 0,03 Fundo 0,77 0,03 1,49 0,02 0,62 0,03 1,77 0,01 Total 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Usando os dados apresentados na Tabela 1 realizou-se o balanço material global e parcial para cada componente de cada peneira. Sendo o balanço dado por: O balanço para o componente grosso e para o produto são dados pela Equação 3 e 4, respectivamente. (2)

5 Onde x gi é a fração mássica de grossos em cada corrente; x pri é a fração mássica de produto em cada corrente; F é a massa de alimentação, Gr é massa de grossos; Fi é a massa de finos e Pr é a massa de produto. Utilizando-se uma base de cálculo da alimentação (F) igual a 100 Kg/h de TSP e resolvendo o sistema de equações formado pelas Equações 2, 3 e 4, encontra-se a taxa das correntes de grossos, finos e produtos, e os resultados estão apresentados na Tabela 2. Correntes Tabela 2 Resultados do balanço material kg/h kg/h Alimentação 100,00 100,00 Produto 26,88 19,23 Grossos 11,44 13,08 Finos 61,68 67,69 (3) (4) Conhecendo-se a vazão de cada corrente, pode-se determinar os valores de x p, x f e x r, apresentados na Tabela 3, efetuando-se o cálculo estequiométrico para x r pelo fato de existirem dois resíduos em cada peneira A e B. Verifica-se que existe muito produto desejado nos finos. Determinados x p, x f e x r, pode-se através da Equação 1 calcular a eficiência do peneiramento, os resultados estão apresentados na Tabela 4. Tabela 3 Resultados das frações mássicas x p, x f e x r Correntes X p 0,8666 0,9041 X f 0,5562 0,5399 X r 0,4421 0,4532 Tabela 4 Eficiência das Peneiras A e B 38,50% 30,91%

6 3.1 Eficiência dos Decks Para determinar a eficiência de cada deck, segue-se o mesmo procedimento, onde o balanço de massa global para o primeiro deck é apresentado pela Equação 5, sendo Pi o produto intermediário. O balanço material para os componentes grossos e produtos, são apresentados pelas Equações 6 e 7, respectivamente. Resolvendo o sistema de equações formado pelas Equações (5), (6) e (7) encontra-se o valor do produto intermediário (Pi), a fração de grossos em Pi e a fração de produto em Pi. Considerando o balanço apenas do primeiro deck o produto desejado é o material que passou pelo primeiro deck, ou seja, a fração de finos mais a fração de produto (todo material com tamanho menor do que 5 malhas). Então, a fração de material desejado em Gr é x r e a fração de produto mais a fração de finos em Pi é x p, uma vez que considera-se aqui apenas o primeiro deck o produto obtido é o chamado produto intermediário. Os resultados dos cálculos descritos estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5 Resultados do balanço de massa do primeiro deck P i 88,561 86,92 x p 0,983 0,975 x f 0,874 0,852 x r 0,033 0,031 (5) (6) (7) Usando a Equação 1 e os resultados acima obtidos determina-se a eficiência no primeiro deck, apresentada na Tabela 6. Tabela 6 Eficiência do primeiro deck 87,67% 85,13%

7 Os cálculos realizados já determinaram o valor de todas as variáveis necessárias para o cálculo da eficiência do segundo deck, e estão apresentadas Tabela 7. Tabela 7- Resultado do balanço do segundo deck X p 0,911 0,956 X f 0,641 0,643 X r 0,523 0,552 Através da Equação 1, e dos valores das variáveis apresentadas, determinam-se as eficiências do segundo deck, apresentadas na Tabela 8. Tabela 8 Eficiência do segundo deck 39,96% 32,56% A menor eficiência do segundo deck depende do tamanho das partículas e de fatores operacionais, como taxa de alimentação dos sólidos, inclinação das peneiras, do estado de conservação ou de manutenção das superfícies peneirantes. Em alguns locais podem ocorrer depósitos em orifícios da malha e em outros as aberturas estarem ampliadas por abrasão o que causa desgaste ou por impactos. Quando a eficiência se torna menor do que um valor de controle a empresa deve efetuar ações para correção desta condição. 4.CONCLUSÃO Os resultados da eficiência das Peneiras A e B demonstraram que a encontra-se mais eficiente que a, apesar de operarem nas mesmas condições e serem do mesmo modelo. A análise da eficiência obtida de cada deck permitiu verificar que quando a eficiência do segundo deck de uma peneira é baixa, a eficiência global da peneira também é menor. Em uma peneira apesar de a eficiência do primeiro deck ser alta, se a do segundo for baixa a eficiência da peneira fica próxima a do segundo deck. A eficiência do segundo deck é dominante na eficiência global. Os resultados obtidos também demonstraram que a eficiência do primeiro deck é maior em ambas as amostras das Peneiras A e B e que ações devem ser efetuadas para aperfeiçoar o desempenho do segundo deck se o tamanho das partículas favorecer.

8 5. REFERÊNCIAS BERNARDES, L. J. L.. A granulação de materiais. Cerâmica Industrial, Piracicaba, v. 11, n. 3, p , Maio/Junho CARRISSO, Regina Coeli C.; CORREIRA, Júlio César G.. Classificação e Peneiramento. In: LUZ, Adão Benvindo da; SAMPAIO, João Alves; FRANÇA, Silvia Cristina Alves. Tratamento de minérios. 4. ed. Rio de Janeiro: Centro de Tecnologia Mineral (CETEM), Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), Cap. 5. p DIAS, E. G.; LAJOLO, R. D.. O meio ambiente na produção de fertilizantes fosfatados no Brasil. In: FERNADES, F. R. C.; LUZ, A. B.; CASTILHOS, Z. C. (Org) Agrominerais para o Brasil. Rio de Janeiro: CETEM/ MTC, p DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Sumário Mineral Ed. Brasília: DNPM/MME, p. FERNANDES, N. J.. Efeito das impurezas ferro, alumínio e magnésio na cadeia de processamento químico do fosfato f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, GONÇALVES, C. R.. Granulação de Fertilizantes: Influência de variáveis de processo na grânulometria dos grânulos f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, KULAIF, Y.. A nova ConFiguração da Indústria de Fertilizantes Fosfatados No Brasil. Rio de Janeiro: CETEM/CNPq, p. (Série Estudos e Documentos, 42). KULAIF, Y.. Perfil dos fertilizantes N-P-K. s. l.: Ministério de Minas e Energia- MME, p. (Relatório Técnico 75). LAPIDO-LOUREIRO, F. E. V.; MELAMED, R.. O fósforo na agricultura brasileira: uma abordagem minero-metalúrgica. Rio de Janeiro: CETEM/MTC, p. (Séries Estudos e Documentos, 67). McCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit operations of chemical engineering. 6th. Boston: McGraw Hill, p. MONTERIO, M. F.. Avaliação do ciclo de vida do fertilizante superfosfato simples f. Dissertação (Mestrado em Gerenciamento e Tecnologias Ambientais no Processo Produtivo - Ênfase em Produção Limpa) - Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Salvador, RODRIGUES, R. F.. Influencia das condições de processo na granulação de supersimples em tambor rotativo f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, VALE FERTILIZANTES. Apostila de formação de operadores