Nitrato de amonio

El nitrato amónico o nitrato de amonio es una sal formada por iones de nitrato y de amonio. Su fórmula es NH₄NO₃.

Se trata de un compuesto incoloro e higroscópico, altamente soluble en el agua.

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Datos físico-químicos

• Fórmula: NH₄NO₃
• Masa molecular: 80,04 g/mol
• Punto de fusión: 169,6 °C
• Punto de ebullición: 210 °C (descomposición)
• Densidad: 1,72 g/ml
• Nº CAS: 6484 - 52 -2
• LD₅₀: 2,217 mg/kg (rata)

Síntesis

El nitrato amónico se obtiene por neutralización de ácido nítrico con amoníaco tras la evaporación del agua:

Aplicaciones

El nitrato de amonio se utiliza sobre todo como fertilizante por su buen contenido en nitrógeno. El nitrato es aprovechado directamente por las plantas mientras que el amonio es oxidado por los microorganismos presentes en el suelo a nitrito o nitrato y sirve de abono de más larga duración.

Una parte de la producción se dedica a la producción del óxido nitroso (N₂O) mediante la termólisis controlada:

Esta reacción es exotérmica y puede ser explosiva si se lleva a cabo en un contenedor cerrado o calentando demasiado rápido. Las mezclas del nitrato amónico con petróleo se utilizan como explosivos. Este compuesto también es responsable de la mayor parte de los accidentes graves con los fertilizantes:

• El accidente más grave se registró en la explosión de la fábrica de nitrogenados en Oppenau cerca de Ludwigshafen (Alemania) en 1921 con 561 muertos.
• El 16 de abril de 1947 la descarga de los barcos "Gradcamp" y "Highflyer" lleno de nitrato amónico en Texas (EE.UU.) provocó una detonación que devastó gran parte de la ciudad con 486 muertos, 100 desaparecidos y más de 3000 heridos.
• El 28 de julio del mismo año el buque "Ocena Liberty" explotó en Brest (Francia) provocando 21 muertos y más de 100 heridos.
• Se supone que igualmente es responsable de la catástrofe provocado por un tren en Ryongchŏn (Corea del Norte) el 22 de abril de 2004, con al menos 161 muertos y más de 1300 heridos.
• La más reciente en México (en el estado de Coahuila) el día 9 de septiembre del 2007, explotó un camión con nitrato de amonio causado por un choque carretero, dejando más de 50 muertos y más de 250 heridos en donde la empresa responsable fue Orica, la cual se dedica a la fabricacion y transportación de materiales peligrosos.

El nitrato de amonio se ha empleado también en diversos ataques terroristas, como por ejemplo en Irlanda del Norte; en el atentado a la AMIA, en Argentina, en 1994; contra el edificio federal de Oklahoma, Estados Unidos, en 1995; contra la Embajada norteamericana en Nairobi, en 1998; contra un complejo turístico en Bali, en 2002; y más recientemente, en un doble atentado suicida dirigido contra el Consulado de Gran Bretaña y dos locales del banco HSBC en Estambul, en noviembre de 2003.

En el año 2000 se realizó por parte de EFMA, un compendio de ocho volúmenes que presentaban los "Mejores procedimientos industriales disponibles para la prevención de la producción y el control en la industria de fertilizantes europea", en respuesta a las normativas europeas^[1] y españolas.^[2]

En la actualidad, existen en Europa, según EFMA, en torno a diez métodos diferentes para la producción industrial del nitrato amónico en sus diferentes riquezas, no existe un único procedimiento que pueda ser considerado como el más ventajoso respecto al resto, debido fundamentalmente a dos razones:

• Las consideraciones comerciales influirán en la elección de un proceso u otro.
• Se puede obtener el mismo producto, con características similares mediante la utilización de métodos distintos.

Por ello se incidirá en primer lugar de manera general sobre cada uno de los pasos del proceso, estableciendo a continuación las mejores soluciones que existen para resolver los problemas planteados.

Procesos de fabricación

La reacción entre el amoníaco y el ácido nítrico es irreversible, completa, instantánea, exotérmica y admite cualquier termodinámica o discusión cinética. El calor de reacción depende de la concentración de ácido nítrico usado y de la solución producida de nitrato amónico, pues la disolución cuanto más concentrada está, mayor es el calor de reacción. Dicho calor de reacción se puede utilizar para producir la evaporación del agua de la solución de nitrato amónico y además para producir vapor.

El nitrato amónico puro sufre una descomposición endotérmica a 169 °C y tiene un punto de ebullición de 230 °C. La concentración del ácido nítrico usado normalmente es de 55 a 65 %, mientras su punto de ebullición a presión atmosférica es de 120 °C, más bajo por tanto que la solución producida de nitrato amónico, soluciones altamente concentradas manifiestan altos puntos de ebullición y de congelación. Lo primero puede causar altas temperaturas y por tanto operaciones peligrosas y lo segundo bloqueo de las tuberías.

El nitrato amónico conservado a 100 °C por un largo periodo de tiempo sufre una descomposición termal hacia amoniaco y ácido nítrico, descomposición que a más de 185 °C puede producir una explosión peligrosa. La solubilidad de amoniaco en agua decrece rápidamente cuando aumenta la temperatura y la alta volatilidad de los componentes y la descomposición de la sal producida conduce fácilmente a pérdidas ambientales y problemas de corrosión. El control de las variables de la reacción (temperatura, presión, calor utilizado y concentraciones de ácido nítrico y nitrato amónico) y los detalles de construcción, logran la utilización del máximo calor, generándose una mezcla fundida sin adicción de calor externo que al mismo tiempo asegura unas condiciones, todo con el mismo equipo y consumo de energía, en las que se consigue la mayor producción posible y una alta calidad del producto.

El proceso de obtención de nitrato amónico básicamente consta de los siguientes pasos:

1. La neutralización del amoníaco con el ácido nítrico.
2. La evaporación de la solución neutralizada.
3. El control del tamaño de las partículas en la cristalización y las características del producto seco.

Neutralización

Es una reacción instantánea y altamente exotérmica, como se ha visto anteriormente, con un producto de reacción inestable pero podemos obtener una buena realización industrial cuando se dan las siguientes condiciones:

1. Mezcla excelente de los reactivos.
2. Control estricto del pH, los sistemas modernos utilizan un control automático del mismo, mediante dos válvulas automatizadas, se va controlando la proporción teórica que necesitamos de amoníaco y de ácido nítrico en el reactor.
3. Control de la temperatura en el reactor, para evitar sobrecalentamientos locales pues cuanto mayor es la temperatura en el reactor, más importante es mantener el valor de pH constante y de evitar la introducción en el mismo de cloruros, metales pesados y compuestos orgánicos, pues existe riesgo de explosión. También se ha de controlar para:
   • Evitar pérdidas en los reactivos, ya que ambos especialmente el amoniaco son considerablemente volátiles y podrían por tanto, escaparse junto al vapor de agua generado si la temperatura subiera indebidamente.
   • Impedir que se presenten riesgos de descomposición del producto.

La temperatura de reacción se controla por medio de la debida regulación de la adicción de los reactivos, por extracción del calor generado y en casos extremos, añadiendo agua (condensados) al contenido del neutralizador. Si bien pueden eliminarse prácticamente las pérdidas del ácido sólo por medio del control de la temperatura de reacción, no ocurre lo mismo con las pérdidas de amoniaco, debido a su mayor volatilidad. Por esto, es necesario tomar medidas adicionales. En algunos procesos se añade, para este propósito un ligero exceso de ácido sobre la cantidad estequiométricamente requerida. En otros, el neutralizador funciona totalmente lleno de líquido, lo cual hace factible, mantener en él una presión de varias atmósferas, muy por encima de la presión de vapor de la solución.

En la práctica los procesos comerciales difieren en dos puntos principales, en la mezcla y en le control de la temperatura, siendo ésta la característica más importante. Los parámetros de la reacción y la construcción adoptada en la neutralización definen toda una línea de producción: ácido precalentado, evaporación de amoniaco y evaporación del agua restante (parcial o totalmente) puede ser realizados mediante el calor recuperado en la neutralización.

Tipos de neutralizadores

Según la temperatura de la zona de reacción

Se dividen los neutralizadores en tres grupos de acuerdo con la temperatura de la zona de reacción, los cuales pueden trabajar:

1. Por debajo del punto de ebullición atmosférico.
2. En el punto de ebullición atmosférico.
3. Sobre el punto de ebullición de las soluciones de nitrato amónico.

Neutralizadores que trabajan por debajo del punto de ebullición atmosférico, son métodos de baja temperatura y presentan ventajas tales como:

• La baja temperatura origina menores problemas de corrosión.
• La pérdida material es menor y la seguridad operacional es buena.

También tienen algunos inconvenientes, como:

• El vacío flash complica algo el equipo y dependiendo de su complejidad, aumenta la inversión y el consumo de energía.
• La utilización del calor de reacción es necesaria debido a que la temperatura de funcionamiento es muy baja.

Neutralizadores que trabajan en el punto de ebullición atmosférico, no utilizan recirculación de la solución de nitrato amónico, por lo tanto la reacción estará menos controlada al ser muy exotérmica y brusca, si se recircula la solución ésta absorbe parte del calor y se controla esta brusquedad, evitándose las pérdidas de nitrógeno que podrían originarse. Aunque su temperatura es mayor que la de los neutralizadores anteriores, en torno a 150 y 200 °C, presenta ventajas como:

• Eficiencia química buena.
• Pérdidas materiales bajas.

El inconveniente principal es la contaminación del vapor de proceso con amoniaco y ácido nítrico, con lo que se necesitan equipos de acero inoxidable. Los neutralizadores sobre el punto de ebullición atmosférico son los más adecuados para un buen proceso de producción.

Los neutralizadores que trabajan sobre el punto de ebullición atmosférico, la característica común de todo diseño en este grupo es que la presión aplicada generalmente entre 2 y 6 bar se emplea para levantar la temperatura en el neutralizador hasta 180 °C aproximadamente. A presiones y temperaturas más elevadas se causan mayores pérdidas y más corrosión, siendo necesarios equipos especiales.

De acuerdo con la recuperación de calor de reacción

Se distinguen los siguientes tipos de neutralizadores:

1. Procesos sin la utilización de calor.
2. Procesos con utilización de calor, donde se usa el calor de reacción para llevar la mezcla reactante hasta el punto de ebullición y evaporar parcialmente el agua introducida con el ácido débil.
3. Procesos con utilización doble de calor, el calor de reacción se usa para evaporar parcialmente el agua introducida con el ácido nítrico y para producir vapor. El calor latente de dicho vapor se usará más tarde para precalentar los reactivos y para la preconcentración de la solución de nitrato amónico.

Los dos primeros casos no se usan en plantas modernas, es decir, por lo menos una parte de los vapores producidos son utilizados en procesos de la misma planta.

Según la presión de los vapores producidos en el neutralizador

Como el factor determinante en la recuperación de calor es el neutralizador, las condiciones de operación del neutralizador definirán la presión de los vapores en el mismo y por tanto su temperatura de condensación, que es el parámetro usado en la anterior clasificación. Por lo tanto parece más apropiado agrupar los procesos de acuerdo con la presión de los vapores producidos en el neutralizador, así existirán:

1. Procesos de flash a vacío:
   • Más simples, con la menor recuperación posible de calor, como el Proceso Udhe IG Farbenindustrie.
   • Más complejos, con la máxima recuperación de calor, como el Proceso Kestner.
2. Procesos con neutralización a presión atmosférica:
   • Proceso ICI.
   • Proceso Kaltenbach Nitrablock.
3. Procesos con neutralización bajo presión:
   • Proceso Fauser.
   • Proceso Stamicarbon.
   • Proceso Kaltenbach de alta concentración.
   • Proceso SBA.
   • Proceso UCB.
   • Proceso Stengel.

Tipos de neutralizaciones

Neutralización a presión inferior a la atmosférica (a vacío)

En este tipo de neutralizadores, cuando el amoniaco y el ácido nítrico reaccionan, el calor de reacción comienza a aumentar incrementando la temperatura de la mezcla hacia su punto de ebullición, donde comenzará la evaporación y la temperatura seguirá su incremento hasta el punto donde el agua presente, se evapore consumiendo el calor de la reacción sobrante del calentamiento de la mezcla.

Para trabajar en torno a este punto, todos los procesos utilizan sistemas de recirculación, donde una parte del nitrato amónico producido se enfría y es recirculado al neutralizador, provocando así un control más fino de la temperatura en el neutralizador. Dicho enfriamiento y la relación de recirculación definirán la temperatura en el neutralizador. Este tipo de neutralizadores mantiene la temperatura en torno a 100 y 120 °C, pero se hace necesario utilizar el calor de la reacción para evaporar una parte del agua contenida en el producto, es decir, se obtienen concentraciones bajas de productos. Este tipo de neutralizadores suelen ser del tipo neutralizadores vacuum flash o a vacío, pudiéndose llevar a cabo en una o varias etapas, así se pueden distinguir:

• Neutralización a vacío en un solo paso: amoníaco, ácido nítrico y nitrato amónico recirculado se alimentan a un neutralizador que trabaja a presión atmosférica, donde se controla la buena distribución, mezcla y control de pH. El producto formado pasa a un post-neutralizador o evaporador flash, donde tiene lugar un control más exhaustivo del pH. Parte del calor de la reacción contenida en la solución recirculada se usa para la evaporación parcial del agua contenida en el nitrato amónico producido, enfriándose a su vez la corriente recirculada. La concentración de la corriente resultante dependerá de la concentración del ácido y el calentamiento de las materias primas.
• Neutralización a vacío multipaso: similar a la anterior, excepto por que se disponen varios evaporadores flash en serie, logrando obtener soluciones de concentración en torno al 98% w de nitrato amónico.

Ventajas e inconvenientes de la neutralización a vacío

• Se presentan menores problemas de corrosión de los materiales, con la consecuente reducción de pérdidas de material y una mayor seguridad. En contraposición son equipos voluminosos y por tanto, caros.
• El aprovechamiento del calor de reacción es muy bajo, básicamente se utiliza en el precalentamiento del ácido nítrico, por lo que la eficiencia energética será pequeña.
• Mejorar la recuperación de calor solo es posible mediante equipos más sofisticados, como neutralizadores multipaso, aunque existirán mayores problemas de corrosión puesto que la temperatura se aumentará en torno a los 160 ó 170 °C.
• Los sistemas de depuración del vapor desprendido del neutralizador (que siempre suele ir contaminado con amoniaco y con finas partículas de nitrato amónico) son también muy voluminosos y, por tanto, caros.

Neutralización a presión atmosférica

Estos equipos son más simples que los anteriores, trabajan a mayores temperaturas (en torno a los 150 y 200 °C) producirán una corriente de vapor que contendrá la mayor parte del agua introducido por el ácido nítrico, que se utilizará para el precalentamiento de las materias primas.

Con concentraciones de ácido nítrico en torno al 60% w se pueden lograr concentraciones en torno al 98% w de nitrato amónico, aunque se suele utilizar un pequeño evaporador posteriormente al neutralizador. Para lograr un mejor control de pH se usan dos neutralizadores en serie, siendo el segundo más pequeño que el primero, para lograr un ajuste más fino.

Ventajas e inconvenientes de la neutralización a presión atmosférica

• Se trabaja a temperatura moderada, por lo que los materiales pueden ser menos exigentes y existe menor riesgo de descomposición del nitrato amónico que a sobrepresión.
• Los sistemas de depuración del vapor desprendido del neutralizador (que siempre suele ir acompañado con amoniaco y finas partículas de nitrato amónico) son también muy voluminosos y, por tanto caros, por la misma razón serán necesarios intercambiadores de calor de acero inoxidable.
• La baja temperatura del vapor restringe su uso en otras aplicaciones, por lo que se utiliza el calor únicamente para el calentamiento de las materias primas, por lo que el rendimiento energético es muy bajo, necesitando un aporte de calor externo, para alcanzar las concentraciones finales de trabajo.

Neutralización a sobrepresión

Se pueden distinguir dos tipos de procesos a sobrepresión:

• Neutralizadores a presión media (hasta 4 atm absolutas), estos procesos son los más usados en la industria, puesto que su temperatura de reacción no es tan alta que entrañe peligro, y permiten el aprovechamiento del vapor de reacción para la concentración, al menos parcial, del licor de nitrato. Algunos de estos reactores van provistos de recirculación externa de la masa reaccionante, con el fin de aumentar la homogeneidad del ácido nítrico en la masa, de forma que su reacción con el amoniaco se produzca uniformemente y en el seno de un volumen importante de licor que actúe de tampón. Otros reactores van provistos de un intercambiador-caldera que se coloca en el seno de la masa reaccionante, y que en su interior va alimentado por agua que se evapora, produciendo vapor limpio a cambio de una menor concentración del licor resultante.
• Neutralizadores a alta presión (superior a 4 atm absolutas),

Se suelen llevar a cabo entre 4 y 6 atm, dependiendo del proceso industrial. La presión sirve para aumentar la temperatura en el mismo alrededor de los 200 °C. Dentro de este grupo se pueden mostrar los procesos Fauser y Stengel.

Ventajas e inconvenientes de la neutralización a sobrepresión

• El uso de neutralizadores a alta presión, como los dos anteriores, tiene ventajas en cuanto a costos de inversión, pero presenta problemas en cuanto al control del proceso de neutralización y peligros de explosión al operar a temperaturas tan altas.
• La principal ventaja que presentan será la posible utilización de los vapores del neutralizador (de 4 a 5 atm), tanto para el precalentamiento de las materias primas, como en el evaporador, por lo que existirá una mayor eficiencia energética.
• El principal problema es que una mayor presión y temperatura provocarán una mayor corrosión y mayores pérdidas tanto de nitrógeno, como de nitrato amónico, por lo que el coste de materiales será superior.

Evaporación

Los distintos procedimientos difieren el contenido en agua de los reactivos (por lo tanto de la concentración de nitrato amónico que salga de la sección de neutralización), de la cantidad de agua requerida en los siguientes procesos de solidificación del producto final y del control de las temperaturas.

En los métodos utilizados hasta 1945, la solución neutralizada de nitrato de amonio sufría una evaporación hasta una concentración elevada, seguida de un enfriamiento consecutivo y la formación del producto. Otros métodos realizaban la evaporación hasta una menor concentración y completaban la misma mediante cristalización o evaporación continua en aparatos diseñados a tal efecto, dicha evaporación también se hacía mediante evaporadores de película (wiped film) que tenían la ventaja de contener pesos muy bajos de materia en tratamiento.

Después de 1965, eficaces evaporadores que operan al vacío se han utilizado en nuevas fábricas, estas modernas unidades tienen una mayor eficiencia térmica y pueden controlarse con precisión. La parte de la unidad donde la concentración es mayor al 99% w de nitrato amónico, es diseñada para retener únicamente pequeñas cantidades de solución concentrada por cuestiones de seguridad. Estas precauciones son necesarias parra evitar la contaminación de la solución por materias orgánicas y su posible explosión.

Las soluciones de nitrato amónico pueden variar entre el 78 y 98% w, y los procesos de solidificación pueden trabajar con melazas desde el 5% w de agua (en los granuladores de tambor) hasta de 0,3 a 0,5% w de agua (en torres prilling), por ello que en la industria existan cientos de evaporadores, cada uno ajustado lo más posible a las necesidades impuestas por el producto requerido.

Manejo y almacenamiento

• Manejo: proporcionar una ventilación adecuada. Utilizar protección de ojos y manos.
• Almacenamiento: situar los tanques lejos de almacenamientos de sustancias combustibles. Proteger los tanques de la corrosión y daños físicos. Comprobar el pH de la solución diariamente. Si el pH de la solución al 10% está por debajo de 4,5 añadir amoníaco gas hasta que se alcance este pH. El material apropiado para los recipientes es el acero inoxidable austenítico. No permitir fumar. Utilizar lámparas protegidas en las áreas de almacenamiento.

Medidas de seguridad

• Límites de exposición recomendados: no hay límites oficiales especificados. (1995-96)
• Medidas de precaución y equipos mecánicos: evitar la exposición a los vapores y proveer al local de ventilación necesaria. Instalar equipos lava-ojos y duchas de seguridad en cualquier lugar en donde se pueda producir contacto con los ojos y la piel.
• Protección personal: en casos de emergencias, usar equipos de respiración apropiados. Usar guantes resistentes al calor y ropa de protección. Usar gafas de seguridad química o pantalla facial.

Información sobre el transporte

• Clasificación ONU: Clase 5, división 5.1 —Comburente— Nº ONU: 2426.
• RD. 1254/1999: Control de los riesgos inherentes a los accidentes graves.
• RD. 145/1989 Reglamento Nacional de Admisión, Manipulación y Almacenamiento de Materias Peligrosas en los puertos.

Referencias

Véase también

• Amoníaco
• Nitrógeno
• Hidrógeno

Enlaces externos

• Hazardous Chemical Database (En inglés)