La Produzione di Fertilizzanti è necessaria per dare la possibilità al comparto agricolo di apportare i necessari nutrienti ad una terra impoverita: componendo un menù ben bilanciato tra nutrienti principali (azoto, fosforo e potassio) e nutrienti secondari (calcio, magnesio, zolfo..)  la fertilità del terreno viene mantenuta o addirittura potenziata. Già nel 2018 ne è stata registrata una produzione annua di circa 200 milioni di tonnellate e i paesi che ne producono in maggior quantità sono: Russia, Cina, Canada, Marocco & USA…mentre il primo paese europeo risulta essere l’Olanda, vedi link. Anche in Italia, la produzione di fertilizzanti ed il loro consumo rappresentano un asset fondamentale per l’economia-paese contando una cinquantina di aziende produttrici con un volume di affari complessivo da circa 1,5 miliardi di euro relativo al mercato Italia e circa 410 milioni di euro per le importazioni [Fonte: Assofertilizzanti].

Nelle 3 macrocategorie dei Fertilizzanti quali i Minerali, gli Organici e i Biochimici/Enzimatici la prima la fa da padrone con il 60% dei fertilizzanti usati ed basata sulla produzione di fertilizzanti semplici al massimo con 2-3 elementi principali: sono produzioni di massa ben consolidate con processi conosciuti e prodotti finali con specifiche note. Diversi ingredienti chiave come ammoniaca, acido nitrico, urea e acido fosforico… ne stanno alla base e ogni passo produttivo deve essere meticolosamente controllato per massimizzare la resa dell’impianto.

Il Controllo dei consumi delle utilities o dei profili di pressione e di temperatura è quindi una procedura irrinunciabile che richiede una strumentazione di processo affidabile e precisa. Ma tutto ciò non basta, occorre anche avvalersi di altri parametri fondamentali quali la misura di concentrazione della fase liquida, storicamente affidata a strumenti in linea come il densimetro o il  conduttivimetro.

Sarebbe possibile migliorare in modo definitivo anche questi processi maturi aumentandone la resa attraverso la riduzione dei consumi di raw material e di energia ma producendo sempre a specifica? 

La società tedesca Sensotech di Magdeburgo, Germania ha sviluppato negli ultimi trent’anni una tecnologia analitica in linea cioè nel serbatoio, nel reattore o nella tubazione basata sul principio ultrasonico, cioè sulla emissione e raccolta di impulsi sonori da noi non udibili il cui tempo di passaggio nel processo è legato alla concentrazione della fase liquida. E’ il sistema Liquisonic, composto semplicemente da un sensore, un cavo ed una elettronica remota.

Vediamone i campi applicativi ed i vantaggi tecnologici per il Responsabile di Produzione:

Sintesi dell’ Ammoniaca: temperatura, concentrazione e velocità sonica

L’ammoniaca (NH3) è un ingrediente chiave per i fertilizzanti a base azoto, ma risulta anche molto importante come prodotto di attivazione nella sintesi dell’acido nitrico e dell’urea. Su scala industriale il processo Haber-Bosch serve a produrre l’ammoniaca dalla reazione fra Azoto (N2) e idrogeno (H2) mediante l’ausilio di tre diversi passaggi produttivi: produzione gas, purificazione gas e sintesi. Nella reazione di formazione dell’ammoniaca (N2 + 3H2 è 2NH3) vengono utilizzati il ferro o il rutenio come catalizzatori.

Durante la fase di raffreddamento, l’ammoniaca condensa in una soluzione acquosa che solitamente a temperatura ambiente ha una concentrazione che va dal 10 al 25% in peso. Tale concentrazione può esse ben monitorata usando il Liquisonic, come si denota nel grafico sottostante.

Come si evince dal grafico, la velocità sonica può essere messa in relazione con la concentrazione dell’ammoniaca infatti, all’aumentare della concentrazione si osserva un incremento parallelo del valore della velocità sonica.

Il grafico mostra anche una relazione fra velocità sonica e temperatura, fino ad una concentrazione di ammoniaca di circa il 10% all’aumentare della temperatura si vedono diverse rampe incrementali del valore della velocità sonica che convergono tra il 13-14% di concentrazione per poi allontanarsi di nuovo: Ben visibili sono le diverse pendenze dei fasci di curve Temperature & Concentrazioni.

Balza all’occhio immediatamente l’assenza nel grafico di plateau, di punti di massimo o minimo che con diverse velocità soniche porterebbero a misurare erroneamente stessi valori di concentrazione durante la sintesi creando confusione e mettendo l’Operatore in una condizione di assenza di controllo della Produzione. La linearità di Liquisonic, cioè la dipendenza diretta fra velocità sonica e valore della concentrazione in fase liquida durante tutta la sintesi fa la grande differenza.

Produzione Urea sempre a specifica

L’ Urea (CH4N2O) è una molecola chiave non solo per l’agricoltura nella produzione di fertilizzanti ma anche per la farmaceutica essendo utilizzata in prodotti dermatologici nonchè per l’industria della plastica: in combinazione con la formaldeide viene impiegata nella sintesi delle resine.

Il processo produttivo dell’Urea segue tipicamente la sintesi di ammoniaca secondo il processo Haber-Bosch : partendo da N2 e H2 secondo una proporzione 1:3 viene condotta una reazione catalitica a base di ferro producendo NH3 e CO2, fondamentali per la sintesi dell’urea che si svolge in diversi macro-stadi:

• Il primo passaggio è il riscaldamento di NH3 e CO2 che, sotto pressione, sviluppano carbammato di ammonio (CH6N2O2)
• Il secondo invece opera una decomposizione del carbammato stesso producendo Urea in concentrazione dal 70 al 80% ed acqua
• L’ultimo passaggio nell’ evaporatore concentra ulteriormente l’urea al 98%

Come si comporta la velocità sonica durante l’operazione di concentrazione dell’urea?

Anche qui la relazione fra concentrazione urea e velocità sonica è univoca e pertanto è possibile installare Liquisonic in 2 punti distinti sia per controllare la decomposizione del carbammato sia per il controllo finale della concentrazione urea al 98% con 1 sola elettronica comune.

Acido Fosforico: processo sotto controllo

L’acido fosforico, H3PO4, è uno dei più importanti acidi inorganici che si forma dalla combinazione delle rocce fosfatiche con acido solforico concentrato ( 98% wt). Questi due componenti reagiscono formando acido fosforico al 30% in peso e Calcio Solfato. Poi tramite un evaporatore è possibile concentrare il fosforico fino al 54% in peso.

In questo processo la Concentrazione dell’acido solforico così come del fosforico la si può monitorare mediante classici strumenti analitici quali il conduttivimetro ed il  densimetro. Confrontiamone il loro comportamento analitico insieme al principio di misura della velocità sonica nel caso dell’acido solforico:

Come si evidenzia dal grafico per questa applicazione classica nella produzione di fertilizzanti:

• la misura di conducibilità [curva bianca] può andare bene soltanto per acidi solforici estremamente concentrati (>95%), mentre per valori di concentrazione da 80% a 95% la misura è poco precisa perchè la relazione conducibilità e concentrazione essendo praticamente orizzontale ( plateau ) non è univoca.
• la misura di densità [curva gialla] al contrario la scarsa precisione la si evidenzia ad alte concentrazioni di acido solforico, anche in questo segmento la relazione non è univoca ed il segnale è confusionario
• la velocità sonica [curva nera] differentemente dai due analizzatori precedenti tende a diminuire all’aumentare della concentrazione di acido lungo tutto l’asse delle concentrazioni crescenti e quindi risulta essere una vera misura precisa e affidabile. Abbiamo una relazione univoca e quindi valori chiari di concentrazione lungo tutto il processo.

Esempi di inserimento del sistema Liquisonic nella produzione di Acido Fosforico:

Superfosfati Semplici e Tripli senza incertezze

Il superfosfato è una famiglia di fertilizzanti prodotti industrialmente dalla reazione tra acido solforico e apatiti o anche fosfato di calcio, e ne distinguiamo 3 tipi

• Superfosfato semplice: è il prodotto derivante dall’attacco di acido solforico alla fosforite e ha un titolo del 16-22 % di anidride fosforica solubile
• Superfosfato triplo: è’ il prodotto derivante dall’attacco di solo  acido fosforico alla fosforite e ha un titolo in anidride fosforica del 43-48 %.
• Superfosfato arricchito: si ottiene impiegando per l’attacco della fosforite una miscela di acido solforico concentrato  e acido fosforico e ha un titolo di anidride fosforica del 26-30%.

Quindi anche in questo caso, la concentrazione di acido solforico o fosforico è una variabile decisiva per l’ottenimento del prodotto desiderato.

Ad oggi la misura della concentrazione dell’acido fosforico è affidata al classico conduttivimetro; vediamo come prima il grafico del suo comportamento insieme a quello della velocità sonica

Anche per questa applicazione vediamo la grande differenza di affidabilità analitica fra le 2 tecnologie che porta ad un incremento della resa produttiva come rapporto fra raw material utilizzati, utilities consumate e prodotto a specifica:

• la misura di conducibilità [curva bianca] può andare bene soltanto per acidi solforici concentrati >42% infatti per range inferiori 30 – 40% la misura è poco precisa perchè la relazione conducibilità e concentrazione non è univoca.
• la velocità sonica [curva nera] al contrario è una retta spettacolare che ci mostra un aumento proporzionale fra concentrazione e velocità sonica: anche qui abbiamo una relazione univoca e quindi valori chiari di concentrazione lungo tutto il processo senza indecisioni o valori spuri di sorta

Dove quindi possiamo applicare Liquisonic nella produzione di fertilizzanti superfosfati?

Il Sistema Liquisonic in pillole

• serve per misurare la concentrazione di miscele binarie e ternarie in fase liquida
• non è a principio ottico ma ultrasonico con un sensore a forma di forchetta inserito nel processo produttivo
• l’analisi è compensata dinamicamente da 2 Pt1000 inserite nei rebbi del sensore
• non ha parti in movimento quindi non ha manutenzione
• La misura non è disturbata dalla presenza di bolle o solidi sospesi e non è dipendente dalla velocità di flusso o da vibrazioni nella linea
• Le parti bagnate possono essere realizzate a seconda delle esigenze del cliente, in diversi materiali possibili dall’acciaio inox alle leghe di nickel ai rivestimenti acid-proof
• Idoneo per Industria 4.0 grazie alla sua connettività completa