اسید فسفریک از دو روش صنعتی اصلی تولید میشود: فرآیند تر (Wet Process) که سنگ فسفات را با اسید سولفوریک وارد واکنش میکند و رایجترین و اقتصادیترین روش برای گرید صنعتی و کود است، و فرآیند حرارتی (Thermal Process) که از احتراق فسفر عنصری خالص استفاده میکند و خلوص بسیار بالاتری برای گرید خوراکی و دارویی تولید میکند. انتخاب روش تولید مستقیماً روی خلوص، ناخالصیها و کاربرد نهایی محصول تأثیر میگذارد. برای مقایسه کامل این دو گرید برای خرید گرید مناسب، به صفحه خرید اسید فسفریک مرجعه فرمایید.
ماده اولیه تولید اسید فسفریک؛ انواع سنگ فسفات
فسفریک اسید با کاهش pH نوشیدنی به محدودهای اسیدی، طعمی تند و ترش ایجاد میکند که تعادل لازم را با شیرینی بالای شکر یا شربت ذرت در نوشابه برقرار میکند. بدون این تنظیم اسیدیته، نوشابه بیش از حد شیرین و بدون عمق طعمی احساس میشود. همان چیزی که طعم مشخص و شناختهشده نوشابههای کولا را میسازد.
فرآیند تر (Wet Process) تولید اسید فسفریک
فرآیند تر رایجترین و اقتصادیترین روش تولید جهانی اسید فسفریک است و عمدتاً برای گرید صنعتی و تولید کود بهکار میرود.
مراحل تولید به روش تر را در این بخش مرحله به مرحله برایتان اورده ابم:
واکنش سنگ فسفات با اسید سولفوریک
در این مرحله، سنگ فسفات آسیابشده درون راکتورهای بزرگ با اسید سولفوریک واکنش میدهد:
Ca₅(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ + 10H₂O → 3H₃PO₄ + 5CaSO₄·2H₂O + HF
این واکنش در دمای کنترلشده و طی چند ساعت در راکتورهای بزرگ صنعتی انجام میشود. محصول خروجی مخلوطی از اسید فسفریک خام و سولفات کلسیم جامد (گچ) است.
فیلتراسیون و جداسازی گچ (سولفات کلسیم)
بعد از واکنش، مخلوط باید فیلتر شود تا اسید فسفریک مایع از سولفات کلسیم جامد جدا شود. این سولفات کلسیم که به آن فسفوژیپس گفته میشود، محصول جانبی جامد و حجیم این فرآیند است. موضوعی که در ادامه مقاله به چالشهای آن میپردازیم.
غلظتسازی و رسیدن به اسید تجاری
اسید فسفریک خروجی از مرحله فیلتراسیون خامی نسبتاً رقیق است (خلوصی معادل حدود ۳۲ درصد P₂O₅). برای رسیدن به غلظت تجاری قابلعرضه (معمولاً حدود ۵۴ درصد P₂O₅)، این محلول در واحدهای تبخیر تحت خلأ غلیظسازی میشود.
فرآیند حرارتی (Thermal Process) تولید اسید فسفریک
فرآیند حرارتی روش پرهزینهتری نسبت به فرآیند تر است اما خلوص بهمراتب بالاتری تولید میکند و به همین دلیل برای گرید خوراکی و دارویی بهکار میرود.
در این روش، ابتدا فسفر سفید عنصری (که خودش از احیای سنگ فسفات در کورههای الکتریکی با دمای بسیار بالا بهدست میآید) در حضور اکسیژن سوزانده میشود و پنتوکسید فسفر (P₄O₁₀) تولید میکند؛ سپس این ترکیب با آب واکنش داده و اسید فسفریک بسیار خالص میسازد (P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄)
چون در این مسیر سنگ معدنی خام وارد واکنش نهایی نمیشود بلکه فسفر از قبل در مرحله جداگانهای تخلیص شده ناخالصیهای معدنی که در فرآیند تر باقی میمانند اینجا وجود ندارند و خلوص نهایی محصول بهطور محسوسی بالاتر است.
مقایسه دو روش تولید از نظر خلوص، هزینه و کاربرد نهایی
| روش تولید | خلوص خروجی | هزینه نسبی تولید | مقیاس رایج تولید |
|---|---|---|---|
| فرآیند تر (Wet Process) | متوسط (نیازمند غلظتسازی و تصفیه) |
پایینتر | واحدهای بزرگ صنعتی و تولید کودهای فسفاته |
| فرآیند حرارتی (Thermal Process) | بسیار بالا | بالاتر | واحدهای تخصصی تولید گرید خوراکی، دارویی و الکترونیکی |
فرآیند تر به دلیل هزینه پایینتر و مقیاسپذیری بالا، انتخاب غالب برای تولید حجم بالای اسید فسفریک صنعتی و کود است. فرآیند حرارتی در مقابل، سرمایهگذاری اولیه و هزینه انرژی بهمراتب بیشتری میطلبد و عمدتاً وقتی توجیه اقتصادی دارد که بازار هدف، گرید خوراکی یا دارویی با ارزش افزوده بالاتر باشد.
انواع اسید فسفریک بر اساس روش تولید و درجه تصفیه
اسید سیاه و اسید سبز
این دو نامگذاری صنعتی به محصول خام فرآیند تر اشاره دارند و بر اساس رنگ نهایی محصول ،که خودش بازتاب سطح و نوع ناخالصی باقیمانده از سنگ فسفات ورودی است تعیین میشوند. اسید سیاه معمولاً از سنگ فسفات با ناخالصی آلی و معدنی بیشتر حاصل میشود، در حالی که اسید سبز از سنگ با کیفیت بهتر و ناخالصی کمتر بهدست میآید و نیاز به تصفیه کمتری برای رسیدن به گرید صنعتی قابلفروش دارد.
سوپر اسید فسفریک (SPA)
سوپر اسید فسفریک نسخه غلیظشدهای از محصول فرآیند تر است که غلظت P₂O₅ آن بهمراتب بالاتر از اسید تجاری معمولی است. این محصول عمدتاً برای تولید کودهای مایع پرغلظت استفاده میشود، جایی که حمل و نقل اقتصادیتر ماده با غلظت بالا اهمیت دارد.
کنترل کیفیت حین تولید اسید فسفریک
برخلاف روشهای تشخیص کیفیت توسط خریدار که در تفاوت اسید فسفریک خوراکی و صنعتی بررسی شد، این بخش به فرآیندهای کنترل کیفیت داخل خط تولید میپردازد. در طول خط تولید، نمونهبرداری میانی از راکتور در فواصل زمانی مشخص انجام میشود تا پیشرفت واکنش پایش شود.
آزمایش درصد P₂O₅ از خروجی راکتور تا واحد غلظتسازی در نقاط مختلف خط تکرار میشود تا محصول نهایی همیشه در محدوده استاندارد باقی بماند. همچنین پیش از بستهبندی، سطح ناخالصیهای فلزی اندازهگیری میشود تا مطمئن شوند محصول واقعاً با گریدی که روی برچسب اعلام شده مطابقت دارد.
مدیریت پساب و محصول جانبی فسفوژیپس
فسفوژیپس (سولفات کلسیم) که در مرحله فیلتراسیون فرآیند تر جدا میشود، حجم قابلتوجهی از محصول جانبی جامد این صنعت را تشکیل میدهد. نگهداری و دفع این حجم بالا یکی از چالشهای اصلی صنعتی و زیستمحیطی واحدهای تولید اسید فسفریک است و نیازمند فضای انبارش وسیع و مدیریت بلندمدت است. برای اطلاعات مربوط به خطرات تماس مستقیم یا ملاحظات ایمنی این مواد، به مقاله اختصاصی ایمنی مراجعه کنید.
محصولات جانبی و مشتقات فرآیند تولید
اسید فسفریک تولیدشده در فرآیند تر، ماده اولیه اصلی کودهای فسفاته پرکاربرد مثل سوپرفسفات سهگانه (TSP)، دیآمونیوم فسفات (DAP) و مونوآمونیوم فسفات (MAP) است. برای بررسی کامل کاربرد این ماده در کشاورزی، کاربرد اسید فسفریک در کشاورزی را بخوانید.
وضعیت تولید اسید فسفریک در ایران
ایران واحدهای پتروشیمی داخلی فعالی در زمینه تولید اسید فسفریک و کودهای فسفاته دارد که ظرفیت آنها بسته به مقیاس و تکنولوژی متفاوت است. برخی واحدهای بزرگ صنعتی تا حدود ۳۵۰ تا ۳۸۰ هزار تن در سال ظرفیت دارند، در حالی که واحدهای کوچکتر یا طرحهای زودبازده معمولاً در بازه ۱۰ تا ۵۰ هزار تن سالانه فعالیت میکنند.
سطح دقیق وابستگی این صنعت به واردات سنگ فسفات به شرایط بازار و منابع معدنی موجود بستگی دارد و برای آمار بهروز باید به منابع رسمی صنعتی مراجعه کرد.
مقیاس و ظرفیت تولید صنعتی اسید فسفریک
برخلاف نمای کلی صنعت که در بخش قبل بررسی شد، این بخش برای افرادی است که قصد راهاندازی خط تولید دارند.
تفاوت اساسی بین یک واحد کوچک آزمایشگاهی یا نیمهصنعتی و یک واحد پتروشیمی بزرگمقیاس، نهفقط در حجم تولید بلکه در نوع تجهیزات، سطح اتوماسیون و پیچیدگی مدیریت فرآیند است.
توجیه اقتصادی راهاندازی یک خط تولید به عوامل کلیای مثل دسترسی پایدار به سنگ فسفات با کیفیت مناسب، هزینه انرژی منطقهای و نزدیکی به بازار مصرف نهایی بستگی دارد.تعیین دقیق میزان سرمایهگذاری یا بازگشت سرمایه نیازمند مطالعه امکانسنجی اختصاصی است.
نکات ایمنی در محیط تولید اسید فسفریک
مواد واکنشدهنده در فرآیند تولید اسید فسفریک بهویژه اسید سولفوریک در فرآیند تر خورندگی بالایی دارند و کار با آنها نیازمند تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی و رعایت دقیق پروتکلهای ایمنی صنعتی است. راهنمای کامل خطرات و نگهداری اسید فسفریک را اینجا بخوانید.