Estudio técnico y económico de la obtención de ácido fosfórico a partir de roca fosfórica del yacimiento de Capinota - Cochabamba -Bolivia

¹ Dr.- Ing. Gerardo Zamora E. ²Ing. Riorvi Brandon Ninavia C.
¹ Docente - Carrera de Metalurgia y Ciencia de Materiales - Universidad Técnica de Oruro gerardozamoraechenique@yahoo.es
² Investigador - Carrera de Metalurgia y Ciencia de Materiales — Universidad Técnica de Oruro brandonninavia4@gmail.com

Las tecnologías de producción de ácido fosfórico a partir de recursos minerales pueden ser por las vía seca y húmeda. En el presente trabajo se estudia la obtención de ácido fosfórico por la vía húmeda a partir de la roca fosfórica proveniente del municipio de Capinota - Cochabamba - Bolivia.

Actualmente la roca fosfórica de dicho municipio, sólo se comercializa como fertilizante a los agricultores para su aplicación directa.

En la investigación, se realizó una adecuada caracterización física, química y mineralógica de una muestra de roca fosfórica que es comercializada; se realizaron pruebas exploratorias del tiempo de lixiviación; luego se estudió el efecto de diferentes parámetros de lixiviación, en ambiente abierto, para después desarrollar pruebas que permitan estudiar la eliminación de calcio por medio de la precipitación de yeso, y finalmente, la concentración del ácido fosfórico por evaporación.

Las mejores condiciones de lixiviación de la roca fosfórica de Capinota, considerando pruebas con 100 gramos de muestra, son: t_lixiviacion = 1hr, %solidos = 30, T = 75°C y Tamaño de partícula -200#.

La máxima extracción de fósforo obtenida fue de 94.17%. En la etapa eliminación de Calcio por de precipitación con ácido sulfúrico en una relación de 15 ml acido/20ml muestra, se logró una precipitación de 1.08 gr de yeso.

Finalmente, para un 50% de evaporación, se logró obtener ácido fosfórico con una calidad de 81.09%.

Se concluye que es técnicamente viable realizar el proyecto de obtención de ácido fosfórico a partir de la roca fosfórica de Capinota.

Palabras clave: Roca fosfórica, ácido fosfórico, lixiviación, precipitación, evaporación, Capinota, Cochabamba.

Abstract

At present, phosphate rock from this municipality is only marketed as fertilizer to farmers for direct application.

In the research, an adequate physical, chemical and mineralogical characterization of a sample of phosphate rock that is marketed was carried out; exploratory tests of the leaching time were performed; then the effect of different leaching parameters was studied, in an open environment, to later develop tests to study the elimination of calcium by means of gypsum precipitation, and finally, the concentration of phosphoric acid by evaporation.

The best leaching conditions of the Capinota phosphate rock, considering tests with 100 grams of sample, are:t_lixiviacion =1hr, %solids=30, T=75°C and Particle size -200#.

The maximum phosphorus extraction obtained was 94.17%. In the calcium elimination stage by precipitation with sulfuric acid at a ratio of 15 ml acid/20ml sample, a precipitation of 1.08 g of gypsum was achieved. Finally, for 50% evaporation, phosphoric acid was obtained with a quality of 81.09%.

It is concluded that the project to obtain phosphoric acid from the Capinota phosphate rock is feasible.

Key words: Phosphate rock, phosphoric acid, leaching, precipitation, evaporation, Capinota, Cochabamba.

1. Introducción

La Tabla 1 muestra una selección de roca fosfórica de diferentes ubicaciones geográficas, con características y análisis mineralógicos típicos. Se trata de rocas ya beneficiadas, es decir, fosfatos extraídos primeramente del yacimiento, y luego de haber sido lavados y separados de la ganga por conminución, clasificación y concentración, hasta obtener un producto comercializable.

Bolivia, por sus especiales características fisiográficas, climáticas y edáficas, presenta variación de suelos en todo el territorio nacional, observándose limitaciones nutricionales en los cultivos propios de cada piso ecológico sea este alto (altiplano), medio(valles) o bajo (llanos orientales).

La baja fertilidad de los suelos debido a la disponibilidad deficiente de fosforo es uno de los factores que incide sobre los rendimientos. (Bellott Juan 1991).

Además, Bolivia es considerado como el país que utiliza menos fertilizantes en América Latina. Este bajo consumo se debe fundamentalmente al elevado costo de los fosfatos de uso convencional, situación frente a la cual se presenta la alternativa barata de la utilización de roca local como fuente de fósforo, para aumentar tanto la producción agrícola como la productividad agropecuaria. La roca fosfórica boliviana tiene limitaciones para usarse como materia prima en la síntesis de superfosfatos por su baja reactividad, sin embargo, resulta ser un material apropiado para la aplicación en suelos ácidos, que repercuten en más bajos costos y contribuyen al ahorro de divisas. (Bellott Juan 1991).

Los estudios de prospección y exploración geológica llevados a cabo en el territorio nacional por GEOBOL (Servicio Geológico de Bolivia) han determinado la existencia de material fosfórico en rocas de la edad precámbrica, ordovícica en emplazamientos recientes o cuaternarios. La mayoría de los depósitos fosfáticos importantes son de origen sedimentario marino, desarrollados en rocas de edad ordovícica superior; en menor porcentaje se ha determinado la presencia de material fosfático en rocas ígneas de edad precámbrica en proporción muy reducida. Los depósitos fosfáticos identificados hasta el presente en Bolivia corresponden a 15 zonas, de las cuales 11 se encuentran desarrolladas en rocas ordovícicas que afloran a lo largo de la cordillera oriental, una en la zona subandina, dos en la parte oriental del país, rocas precámbricas cerca al país de Brasil, y un depósito reciente ubicado entre las localidades de Huari y Soledad, en el departamento de Oruro, región altiplánica de Bolivia. (Bellott Juan 1991).

Los estudios geológicos en Bolivia para detectar anomalías fosfáticas se han concentrado en las exposiciones del Ordovícico en la cordillera oriental expuesta desde la frontera de Argentina hasta los límites con Perú. Dichos estudios han detectado presencia de apatita en sedimentos marinos, en localidades como Izcayachi (Tarija), Betanzos (Potosí), Capinota (Cochabamba) y Caranavi (La paz), Siguiendo el lineamiento norte sur. La más importante parece ser de Capinota que muestra 37 horizontes con espesor de 0.7 a 1.6 m y promedio de 25% de P2O5. (Bellott Juan 1991). En dicho yacimiento, se han reconocido capas de fosfato de 1.60 m de espesor con tenores promedio que varían entre 12 - 25 % de P2O5 con una reserva que alcanza un aproximado de 3 millones de toneladas de material fosfático, cuyas composiciones de diferentes muestras representativas se da a continuación.

Tabla N°2.- Composición química porcentual de tres muestras de roca fosfórica de Capinota. (Bellott Juan 1991).

Mas de 22 países en el mundo (año 2015) registran reservas de roca fosfórica (RF) por 69000000 millones de toneladas, donde 4 países tienen el 84% del total. (Antonio Jose, 2015). El ácido fosfórico se obtiene mediante ataque de roca fosfórica con ácido sulfúrico en un reactor agitado. Este reactor se quiere que opere a 70 °C y con una concentración de ácido del 30 % (expresado como P2O5). Junto con el ácido se forma sulfato de calcio dihidrato (yeso). Después del reactor hay un filtro que separa el yeso del ácido fosfórico. El agua de lavado junto con una cantidad de ácido débil es reciclada al reactor para favorecer el ataque a las partículas de roca.

Finalmente, el ácido débil se lleva a concentración donde se separa previamente la materia orgánica en un decantador y posteriormente se calienta el ácido y tras una laminación se realiza un flash para obtener la concentración deseada. La figura 1 siguiente esquematiza el proceso industrial por vía húmeda.

Figura 1.- Proceso de fabricación de ácido fosfórico por vía húmeda.

Las rocas de fosfato se descomponen con ácido sulfúrico según la siguiente reacción (Becker, 1989):

El lodo de sulfato de calcio se separa del ácido fosfórico utilizando un grupo de hidrociclones. El sulfato de calcio precipitado limita el progreso de la reacción porque se deposita y acumula en la superficie de las rocas. Para maximizar la conversión, el ácido fosfórico extraído se puede reciclar para crear fosfato mono cálcico soluble (reacción 2), que luego se precipitará en sulfato de calcio (reacción 3). Esto libera la superficie de la roca para las reacciones siguientes según (Asociación Europea de Fabricantes de Fertilizantes, 2000).

Las rocas de fosfato se descomponen con ácido sulfúrico según la siguiente reacción (Becker, 1989):

El proceso por la vía húmeda, comprende básicamente cuatro pasos: preparación de la roca, que normalmente equivale a la molienda-concentración en una planta de beneficio de la roca fosfórica; reacción utilizando ácido sulfúrico al 98%; filtración y lavado, para separar el ácido fosfórico-sulfato de calcio; y concentración por evaporación a la concentración requerida.

La reacción entre las rocas fosfatadas y los ácidos depende de varios factores como la composición química y mineralógica de fosfato, área de superficie específica, relación ácido-roca y velocidad de agitación (Calamnovici y Giulietti, 1990). Los minerales de fosfato se dividen en tres grupos según su contenido de P₂O₅: minerales de baja ley (12-16% P₂O₅), minerales de ley intermedia (17-25% P2OS) y minerales de alta ley (26-35% P₂O₅). Depósitos que podrían extraerse y procesarse económicamente para dar alrededor del 28-38% de P₂O₅ se consideran depósitos comerciales de fosfato (Sengul et al., 2006). Portanto, el fosfato de rocas de fuentes distintas se comporta de manera diferente al proceso de acidulación (Ashraf et al., 2005).

La composición de fosfato afecta también la calidad de los productos finales y la solubilidad está estrechamente relacionada con la relación CO₂^-2:PO₄^-3 de la apatita, pero no con el contenido de P₂O₅ total. (Rajan et al., 1996). En el contexto arriba descrito, el presente trabajo de investigación se circunscribe al estudio técnico y económico de la obtención de ácido fosfórico a partir de la roca fosfórica del yacimiento de Capinota mediante pruebas a nivel laboratorio de lixiviación, purificación y evaporación.

2. Materiales y métodos

La muestra de roca fosfórica de Capinota presenta las siguientes características físicas, químicas y mineralógicas:

El peso específico promedio calculado es de 2.856 g/cm3. El análisis granulométrico de la muestra de roca arrojó los siguientes resultados:

d₁₀ = 30.504 μm

d₅₀ = 349.193μm

Los resultados de la caracterización química por XFR se presentan en la tabla siguiente:

Tabla N°3.-. Análisis químico Roca fosfórica de Capinota-Cochabamba

El análisis mineralógico por difracción de Rayos X, muestra que la matriz de la roca fosfórica está constituida por cuarzo, fluoroapatita, bementita y Sassolita. La composición mineralógica de la muestra de roca fosfórica analizada, se presenta en la tabla siguiente:

Tabla N°4.- Información del envase de la roca fosfórica de Capinota - Cochabamba

Para el desarrollo de las pruebas experimentales de lixiviación se utilizó un equipo de agitación magnética con termostato regulable, como se muestra en la figura 2.

Las etapas consideradas en el procedimiento experimental desarrollado, se circunscriben a la determinación del tiempo óptimo de lixiviación, determinación de las mejores condiciones de la lixiviación; condiciones de eliminación de Calcio por precipitación con ácido sulfúrico; y finalmente, la concentración por Evaporación.

Elaboración propia.

El tiempo de lixiviación óptimo se determinó mediante pruebas con 100 gr de muestra al 10% solidos, y la adición de ácido sulfúrico 1N, manteniendo el tamaño constante y la temperatura de 20°C.

El diseño experimental para el desarrollo de las pruebas experimentales de lixiviación es presentado en la tabla siguiente:

Tabla 5.- Diseño de pruebas experimentales de lixiviación. Elaboración propia

C1, C2 y C3 representan a 1, 1.5 y 2 veces el estequiométrico calculado.

Las pruebas de determinación de eliminación de Calcio por precipitación variando la cantidad de ácido sulfúrico respecto al estequiométricamente calculado, se realizaron a partir de la solución obtenida bajo las mejores condiciones de lixiviación. Finalmente, la concentración de ácido fosfórico por evaporación, se realizó a partir de una solución filtrada obtenida del proceso anterior de eliminación de Calcio, y hasta obtener ácido fosfórico de alta pureza.

3.         Resultados y discusión

3.1. Determinación del tiempo óptimo de lixiviación

Pruebas de lixiviación fueron desarrolladas a diferentes tiempos de lixiviación y bajo las condiciones descritas en el capítulo anterior. Los resultados se presentan en la figura 3. Es decir que, no se requieren tiempos mayores a una hora, para obtener las máximas extracciones de fósforo de las rocas fosfóricas por lixiviación en medio ácido.

Fig. 3.- Determinación del tiempo de lixiviación.

3.2. Estudio de variables en el proceso de lixiviación

Los resultados de las extracciones de fósforo de las pruebas para un tiempo de una hora de lixiviación y variando los parámetros de porcentaje de sólidos, temperatura y granulometría de la roca fosfórica se presentan en la tabla siguiente:

Tabla N°6.- Resumen de pruebas de variación de parámetros, en ambiente cerrado

En resumen, las mejores condiciones de lixiviación de la muestra de roca fosfórica estudiada son: 30 % solidos, Temperatura de 75 °C y tamaño de partícula de -150# Tyler, y la máxima extracción obtenida a esas condiciones es de 94.17 % de Fósforo.

Bajo todas las condiciones de las pruebas de lixiviación no hubo formación de precipitados, por tanto, el calcio y el magnesio se encuentran todavía en solución. Entonces, se realizaron pruebas para su eliminación mediante la adición extra de ácido sulfúrico, a la ya añadida en la etapa de lixiviación, y posteriormente, llevar adelante la concentración de la solución obtenida, mediante evaporación del agua, a objeto de obtener ácido fosfórico concentrado. Se utilizó 20 ml de la muestra liquida resultante del proceso de lixiviación a las mejores condiciones para las pruebas de precipitación de Cay Mg; y se realizó una prueba de adición de ácido sulfúrico para establecer su efecto en función al peso de precipitado seco obtenido, demostrándose que la adición de 15 ml permite la mayor eliminación de Ca y Mg.

3.4.       Estudio de concentración del ácido bórico por evaporación

Finalmente, mediante una evaporación de 20 min, se alcanzó una solución concentrada de ácido fosfórico con un contenido 81.09 %, adecuado para su comercialización.

3.5.       Estudio de prefactibilidad económica

Para la determinación de la prefactibilidad de un posible proyecto para la obtención de ácido fosfórico, se han realizado las siguientes consideraciones:

En la lixiviación: t = 1 hr, %sólidos = 30, T = 75°C, Granulometría= 150#, Precipitación V_H2so₄ = 15ml de ácido industrial al 85%, T Evaporación = 85°C, para una Capacidad_planta =100 Ton/ semana

Para una capacidad de planta de 4.375 Ton/hr será necesario 1.39 m³ de ácido sulfúrico al 85% de pureza y 6.48 m³/hr en el proceso de lixiviación. El volumen del reactor será de 12 m³.

Por otra parte, el proceso requiere elevar la temperatura del reactor a 75°C en el proceso de lixiviación y 85 °C en calderas en el proceso de evaporación. Asumiendo que se calentará mediante el uso de gas natural, se ha determinado el calor requerido para calentar agua, el calor especifico total aproximado requerido para calentar de la roca fosfórica y restando el calor de la reacción exotérmica, será necesario suministrar al proceso una cantidad de energía de 491735.68 kCal/hr Por tanto, se requerirá 57.58 m³/hr de combustible metano.

a) Inversión fija

Tabla 7.- Equipos requeridos para la instalación de una planta de obtención de ácido fosfórico para una capacidad de 4.375 Ton/hr.

Considerando un costo de transporte, accesorios, materiales auxiliares al equipo se tomará un 65% más del costo total de los equipos. Es decir: Costorealequipos = 102816 + 102816 * 0.65 = 169646.4 $us Por otra parte, una estimación del costo de las maquinarias, se presenta en la tabla siguiente:

Tabla 8.- Estimación costo de maquinarias requeridas para la producción.

Finalmente, si se considera gastos menores adicionales previos a la producción de 17500 $us, la inversión fija será de:

I_fija = 169646.4 + 1500000 + 17500 = 1687146.4 $us

b) Costo operacional

Electricidad.- La potencia necesaria estimada para el tratamiento de la roca fosfórica es de = 391.7≈392[KW] Trifásico. Lo que equivale a 490 [KVA], y asumiendo un factor de 1.1 para consumo extra, la Energía eléctrica será de 10348.8 kWh/día

Tabla 9.- Estimación de la cantidad diaria y anual (330 días en operación) de insumos para una capacidad de 4.375 Ton/hr.

Por tanto, los costos anuales que representa el gasto por insumos, se resumen en la tabla siguiente:

Tabla 10.- Estimación de costos anuales para una capacidad de 4.375 Ton/hr.

*Se calculo el precio de la roca fosfórica tomando como base el precio promedio de empresas dedicadas a la ventad del producto. Según www.veritradecorp.com

Mano de obra.- El costo de la mano de obra es de 162800 $us; por lo que:

Costofabricacion = 3557784.02 + 162800 = 3720584.02 $us

Los costos de administración ascienden a 115500 $us y los de comercialización a 13398 $us. Es decir, el capital de trabajo es de:

En la tabla siguiente se presenta un resumen de los costos de inversión planta:

Tabla 11.- Costo inversión total planta

El costo de capital de inversión es de $us 5536628.42, donde se puede asumirse un 69% de inversión y 29% de financiamiento bancario, con lo que el plan de pagos es mostrado en la tabla siguiente:

Tabla 12.- Plan de pagos del préstamo bancario

Por otra parte, los ingresos por venta de ácido fosfórico a un precio de 800 $us/TM, para una capacidad de producción de 17700 TM. (Sacado este valor de trabajos de simulaciones realizadas con sowfwares de balances de masa y energía).

Tabla 13.- Tabla de ingresos por venta de ácido fosfórico

Tabla 13.- Flujo de caja con financiamiento del 30% para una capacidad de 4.375 Ton/hr

VNA=                        99430,93 USD

TIR=                               26,04 %

4. Conclusiones

• La muestra de roca fosfórica de Capinota presenta las siguientes características d₉₀ = 770.22/µm, humedad 1.07% y está constituido por 42.37 % P₂O₅, 29.73 % CaO, 5.49 % MgO y 12.38 % SiO2.

• Los minerales más abundantes son la apatita, oxido de magnesio, oxido de calcio y dióxido según el análisis mineralógico. Esta mena de fosforo es de origen ígneo por la presencia de apatita.

•     Las mejores condiciones encontradas para obtener hasta un 94.17 % de extracción de Fósforo en la etapa para un tiempo de lixiviación de una hora son 0 % solidos, Temperatura de 75°C y tamaño de partícula de -150# Tyler.

•     La concentración de ácido fosfórico obtenido fue de 81.09% de ácido fosfórico, esta concentración no es igual a la concentración de ácido del 85% vendible comercialmente, sin embargo, el ácido obtenido no se aleja mucho de la concentración deseada y puede igual producida para consumo interno.

•     Se debe realizar un estudio económico para establecer la viabilidad económica de la producción de ácido bórico a partir de la roca fosfórica del yacimiento de Capinota -Cochabamba.

•    El análisis de factibilidad económica con los indicadores Valor actual Neto y Tasa interna de retorno dieron como resultado 99430,93 $us y 26,04 % respectivamente según la fig. 51. Concluimos que es viable realizar el proyecto de obtención de ácido fosfórico.

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