Nitrato de amonio

O nitrato de amonio ou nitrato amónico é un sal formado por iones nitrato e amonio. A súa fórmula é NH₄NO₃. Trátase dun composto incoloro e higroscópico, altamente soluble en auga. O nitrato de amonio é un composto inestable e adoita ser utilizado como fertilizante. Estímase que a produción global foi de 21,6 millóns de toneladas en 2017.

Síntese

O nitrato de amonio obtense por neutralización de ácido nítrico con hidróxido de amonio tras a evaporación da auga:

NH₄OH+HNO₃⟶NH₄NO₃+H₂O

No laboratorio pódese obter por dobre descomposición entre sulfato de amonio, (NH₄)₂SO₄, e nitrato de estroncio, [Sr(NO₃)₂], en disolución. Tras precipitar o sulfato de estroncio e filtrar a disolución que logo se evapora, obtense o nitrato de amonio en cristais ou po branco.

(NH₄)₂SO_4(aq)+SrNO_3(aq)⟶2NH₄NO_3(aq)+SrSO₄↓(branco)

Aplicacións

O nitrato de amonio utilízase sobre todo como fertilizante polo seu bo contido en nitróxeno. O nitrato é aproveitado directamente polas plantas mentres que o amonio é oxidado polos microorganismos presentes no solo a nitrito (nitrosomonas) ou nitrato (nitrobacter) e serve de fertilizante de máis longa duración.

Unha parte da produción dedícase á produción do óxido nitroso (N₂O) mediante a termólise controlada:

NH₄NO₃ ⟶ 2 H₂O + NO₂

Esta reacción é exotérmica e pode ser explosiva si leva a cabo nun colector pecho ou quentado demasiado rápido. No ano 2000 realizouse por parte de EFMA, un compendio de oito volumes que presentaban os "Mellores procedementos industriais dispoñibles para a prevención da produción e o control na industria de fertilizantes europea", en resposta ás normativas europeas e españolas.

Na actualidade, existen en Europa, segundo EFMA, ao redor de dez métodos diferentes para a produción industrial do nitrato de amonio nas súas diferentes riquezas, non existe un único procedemento que poida ser considerado como o máis vantaxoso respecto ao resto, debido fundamentalmente a dúas razóns:

As consideracións comerciais influirán na elección dun proceso ou outro.

Pódese obter o mesmo produto, con características similares mediante a utilización de métodos distintos.

Por iso incidirase en primeiro lugar de maneira xeral sobre cada un dos pasos do proceso, establecendo a continuación as mellores solucións que existen para resolver os problemas expostos.

En México, é un produto regulado pola Secretaría da Defensa Nacional (SEDENA) con medidas claras e rigorosas baixo a "Lei Federal de Armas de fogo e Explosivos" así como o seu Regulamento.

Fertilizante

O nitrato de amonio é un importante fertilizante etiquetaxe co código NPK 34-0-0 (34% en nitróxeno). Está menos concentrado que a urea (46-0-0), dando ao nitrato de amonio unha pequena desvantaxe no transporte. Como vantaxe o nitrato amónico é máis estable que a urea e non perde rapidamente o nitróxeno na atmosfera. Sérvese en gránulos compactos cando se usa como fertilizante, o cal mellora a súa estabilidade. A maior parte da produción destínase a este fin. O sal resultante do nitrato amónico ao disolver en auga pode ser absorbida con facilidade polas plantas.

Explosivos

O nitrato de amonio é un ingrediente en certos explosivos. Exemplos de explosivos contendo nitrato amónico inclúen:

Astrolite (nitrato amónico e hidracina)
Amatol (nitrato amónico e TNT)
Ammonal (nitrato amónico e po de aluminio)
Amatex (nitrato amónico, TNT e RDX)
ANFO (nitrato amónico e fuel oil)
DBX (nitrato amónico, RDX, TNT e po de aluminio)
Tovex (nitrato amónico e nitrato de metil aluminio)
Minol (nitrato amónico, TNT e po de aluminio)
Goma-2 (Nitrato amónico, nitroglicol, nitrocelulosa, ftalato de dibutilo e fuel)

En estado puro é tamén un explosivo, aínda que bastante insensible ata que alcanza temperaturas elevadas. O aluminio en po mesturado achégalle enerxía á onda de choque, pero con certa diminución da onda explosiva.

Mestura con fuel oil

ANFO é un explosivo resultado de mesturar un 94% de nitrato amónico ("AN") e 6% de fuel oil ("FO") amplamente usado como explosivo industrial. É utilizado en minería de carbón, minería ao descuberto, minería de metal e obra civil onde as vantaxes do baixo custo do ANFO e facilidade do uso superan aos beneficios ofrecidos por explosivos industriais convencionais, como son a resistencia á auga, o balance de osíxeno, a velocidade de detonación e a súa capacidade de traballo en pequenos diámetros.

Industria química

O nitrato de amonio é tamén utilizado en:

Tratamento de minerais de titanio
Preparación de óxido nitroso
En kits de supervivencia xa que mesturado con cinc en po e cloruro de amonio acenderase en contacto coa auga
Para producir amoníaco anhidro, un produto químico de uso frecuente na anfetamina

Usos especializados

O nitrato amónico é usado nalgúns packs de frío instantáneo xa que diluído en auga é altamente endotérmico. Tamén é usado, en combinación con explosivos "fuels" como o nitrato de guanidina como un barato (pero menos estable) alternativa á aminotetrazola-5, un inflador para airbags producido pola Corporación Takata. Posteriormente descubriuse que era inseguro ao matar a 14 persoas.

Unha solución de nitrato amónico con ácido nítrico coñecida como Cavea-b converteuse nunha mestura prometedora para ser usada como combustible para foguetes, ao ser máis enerxética que a hidracina. Despois dalgúns ensaios realizados nos anos 1960 a substancia non foi adoptada pola NASA.

Procesos de fabricación

A reacción entre o amoníaco e o ácido nítrico é irreversible, completa, instantánea, exotérmica e admite calquera termodinámica ou discusión cinética. A calor de reacción depende da concentración de ácido nítrico usado e da solución producida de nitrato de amonio, pois a disolución canto máis concentrada está, maior é a calor de reacción. Devandita calor de reacción pódese utilizar para producir a evaporación da auga da solución de nitrato de amonio e ademais para producir vapor.

O nitrato de amonio puro sofre unha descomposición endotérmica a 169 °C e ten un punto de ebulición de 230 °C. A concentración do ácido nítrico usado normalmente é de 55 a 65 %, mentres o seu punto de ebulición a presión atmosférica é de 120 °C, máis baixo por tanto que a solución producida de nitrato de amonio, solucións altamente concentradas manifestan altos puntos de ebulición e de conxelación. O primeiro pode causar altas temperaturas e por tanto operacións perigosas e o segundo bloqueo das tubaxes.

O nitrato de amonio conservado a 100 °C por un longo período de tempo sofre unha descomposición termal cara a @amoníaco e ácido nítrico, descomposición que a máis de 185 °C pode producir unha explosión perigosa. A solubilidad de @amoníaco en auga decrece rapidamente cando aumenta a temperatura e a alta volatilidade dos compoñentes e a descomposición do sal producido conduce facilmente a perdas ambientais e problemas de corrosión. O control das variables da reacción (temperatura, presión, calor utilizada e concentracións de ácido nítrico e nitrato de amonio) e os detalles de construción, logran a utilización da máxima calor, #xerar unha mestura fundida sen adición de calor externa que ao mesmo tempo asegura unhas condicións, todo co mesmo equipo e consumo de enerxía, nas que se consegue a maior produción posible e unha alta calidade do produto.

O proceso de obtención de nitrato de amonio basicamente consta dos seguintes pasos:

A neutralización do amoníaco co ácido nítrico.
A evaporación da solución neutralizada.
O control do tamaño das partículas na cristalización e as características do produto seco.

Neutralización

É unha reacción instantánea e altamente exotérmica, como se viu anteriormente, cun produto de reacción inestable pero podemos obter unha boa realización industrial cando se dan as seguintes condicións:

Mestura excelente dos reactivos.
Control estrito do pH, os sistemas modernos utilizan un control automático do mesmo, mediante dúas válvulas automatizadas, vaise controlando a proporción teórica que necesitamos de amoníaco e de ácido nítrico no reactor.
Control da temperatura no reactor, para evitar sobrecalentamientos locais pois canto maior é a temperatura no reactor, máis importante é manter o valor de pH constante e de evitar a introdución no mesmo de cloruros, metais pesados e compostos orgánicos, pois existe risco de explosión. Tamén se debe controlar para:

Evitar perdas nos reactivos, xa que ambos especialmente o amoníaco son considerablemente volátiles e poderían por tanto, escapar xunto ao vapor de auga xerada se a temperatura subise indebidamente.
Impedir que se presenten riscos de descomposición do produto.

A temperatura de reacción contrólase por medio da debida regulación da adición dos reactivos, por extracción da calor xerada e en casos extremos, engadindo auga (condensados) ao contido do neutralizador. Aínda que poden eliminar practicamente as perdas do ácido só por medio do control da temperatura de reacción, non ocorre o mesmo coas perdas de amoníaco, debido á súa maior volatilidade. Por isto, é necesario tomar medidas adicionais. Nalgúns procesos engádese, para este propósito un lixeiro exceso de ácido sobre a cantidade estequiométricamente requirida. Noutros, o neutralizador funciona totalmente cheo de líquido, o cal fai factible, manter nel unha presión de varias atmosferas, moi por encima da presión de vapor da solución.

Na práctica os procesos comerciais difiren en dous puntos principais, na mestura e en lle control da temperatura, sendo esta a característica máis importante. Os parámetros da reacción e a construción adoptada na neutralización definen toda unha liña de produción: ácido precalentado, evaporación de amoníaco e evaporación da auga restante (parcial ou totalmente) pode ser realizados mediante a calor recuperada na neutralización.

Tipos de neutralizadores

Segundo a temperatura da zona de reacción

Divídense os neutralizadores en tres grupos de acordo coa temperatura da zona de reacción, os cales poden traballar:

Por baixo do punto de ebulición atmosférico.
No punto de ebulición atmosférico.
Sobre o punto de ebulición das solucións de nitrato de amonio.

Neutralizadores que traballan por baixo do punto de ebulición atmosférico, son métodos de baixa temperatura e presentan vantaxes talles como:

A baixa temperatura orixina menores problemas de corrosión.
A perda material é menor e a seguridade operacional é boa.

Tamén teñen algúns inconvenientes, como:

O baleiro flash complica algo o equipo e dependendo da súa complexidade, aumenta o investimento e o consumo de enerxía.
A utilización da calor de reacción é necesaria debido a que a temperatura de funcionamento é moi baixa.

Neutralizadores que traballan no punto de ebulición atmosférico, non utilizan recirculación da solución de nitrato de amonio, por tanto a reacción estará menos controlada ao ser moi exotérmica e brusca, se se recircula a solución esta absorbe parte da calor e contrólase esta brusquedad, #evitar as perdas de nitróxeno que poderían #orixinar. Aínda que a súa temperatura é maior que a dos neutralizadores anteriores, ao redor de 150 e 200 °C, presenta vantaxes como:

Eficiencia química boa.
Perdas materiais baixas.

O inconveniente principal é a contaminación do vapor de proceso con @amoníaco e ácido nítrico, co que se necesitan equipos de aceiro inoxidable. Os neutralizadores sobre o punto de ebulición atmosférico son os máis axeitados para un bo proceso de produción.

Os neutralizadores que traballan sobre o punto de ebulición atmosférico, a característica común de todo deseño neste grupo é que a presión aplicada xeralmente entre 2 e 6 bar emprégase para levantar a temperatura no neutralizador até 180 °C aproximadamente. A presións e temperaturas máis elevadas cáusanse maiores perdas e máis corrosión, sendo necesarios equipos especiais.

Segundo a temperatura de calor de reacción

Distínguense os seguintes tipos de neutralizadores:

Procesos sen a utilización de calor.
Procesos con utilización de calor, onde se usa a calor de reacción para levar a mestura reactante até o punto de ebulición e evaporar parcialmente a auga introducida co ácido débil.
Procesos con utilización dobre de calor, a calor de reacción úsase para evaporar parcialmente a auga introducida co ácido nítrico e para producir vapor. A calor latente de devandito vapor usarase máis tarde para precalentar os reactivos e para a preconcentración da solución de nitrato de amonio.

Os dous primeiros casos non se usan en plantas modernas, é dicir, polo menos unha parte dos vapores producidos son utilizados en procesos da mesma planta.

Segundo a presión dos vapores producidos no neutralizador

Como o factor determinante na recuperación de calor é o neutralizador, as condicións de operación do neutralizador definirán a presión dos vapores no mesmo e por tanto a súa temperatura de condensación, que é o parámetro usado na anterior clasificación. Por tanto parece máis apropiado agrupar os procesos de acordo coa presión dos vapores producidos no neutralizador, así existirán:

Procesos de flash a baleiro:Máis simples, coa menor recuperación posible de calor, como o Proceso Udhe IG Farbenindustrie. Máis complexos, coa máxima recuperación de calor, como o Proceso Kestner.
Procesos con neutralización a presión atmosférica:Proceso ICI. Proceso Kaltenbach Nitrablock.
Procesos con neutralización baixo presión:

Proceso Fauser.
Proceso Stamicarbon.
Proceso Kaltenbach de alta concentración.
Proceso SBA.
Proceso UCB.
Proceso Stengel.