Producción y usos del nitrato de amonio

Ammonium nitrate structure

El nitrato de amonio, NH4NO3, es un compuesto químico importante. Su principal método de producción implica la reacción entre ácido nítrico y amoníaco y se utiliza principalmente en fertilizantes de alta calidad. Como fertilizante directo, este compuesto contribuye a aproximadamente el 24% del consumo mundial de fertilizantes nitrogenados.

El nitrato de amonio es un ingrediente esencial en diversas formulaciones de fertilizantes complejos y combinados, por lo que desempeña un papel importante a la hora de abordar las necesidades nutricionales de la población mundial.

Además de su uso agrícola, el nitrato de amonio se utiliza como agente oxidante y forma parte integrante de numerosas composiciones explosivas.

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas y químicas del nitrato de amonio

El nitrato de amonio, con un peso molecular de 80,05, se presenta como una sal incolora. Su densidad a 20 grados Celsius es de 1,725 g/cm³ y posee una capacidad calorífica específica de 1,70 J/g·K en el rango de temperatura de 0 a 31 grados Celsius.

Su punto de fusión es de 169,6 a 170 grados centígrados. El proceso mediante el cual se sintetiza nitrato de amonio a partir de amoníaco y ácido nítrico se caracteriza por su naturaleza altamente exotérmica, como se muestra en la reacción:

NH3(g) + HNO3(l) → NH4NO3(s)     ∆H = -146 kJ/mol

La transición de fase que se produce a 32,3 °C tiene implicaciones importantes para el almacenamiento de fertilizantes que contienen nitrato de amonio. Una exposición repetida a esta transición puede provocar el deterioro de los gránulos de fertilizante debido a diferentes densidades, lo que finalmente puede provocar su desintegración.

El nitrato de amonio es muy soluble en agua y muestra un comportamiento higroscópico. En consecuencia, son necesarias precauciones para evitar la absorción de humedad durante el transporte y almacenamiento.

Cuando el nitrato de amonio se disuelve en agua, absorbe calor, lo que lo hace útil para congelar mezclas, como las que contienen cloruro de sodio y hielo.

El nitrato de amonio es soluble en varios disolventes no acuosos. El NH3 líquido sirve como disolvente en el que la sal se disuelve y absorbe fácilmente el NH3, produciendo soluciones conocidas como líquido Divers.

Las soluciones acuosas de nitrato de amonio, con una concentración que oscila entre el 50 y el 70% en peso, absorben vigorosamente NH3 y sirven como agentes para la extracción de NH3 de los gases. Estas soluciones también encuentran utilidad en la amonación de superfosfato.

En metanol, el nitrato de amonio se disuelve para crear soluciones de aproximadamente el 20% a 30 °C y aproximadamente el 40% a 60 °C. Su solubilidad en etanol ronda el 4% a 20 °C, mientras que en acetona es menos soluble. El nitrato de amonio es insoluble en éter.

Como potente agente oxidante, el nitrato de amonio permanece estable en condiciones estándar de temperatura y presión. Sin embargo, al calentarse por encima de 170 °C, se descompone en gases. Esta descomposición se acelera con pequeñas cantidades de cloro o ácido libre.

2. Producción de nitrato de amonio

El nitrato de amonio se produce por la reacción del amoníaco con el ácido nítrico. Además, el nitrato de amonio se genera durante el proceso de fabricación de fertilizantes de nitrógeno-fósforo (NP) y nitrógeno-fósforo-potasio (NPK).

Esta formación se produce por descomposición del fosfato bruto con ácido nítrico, convirtiéndose la sal resultante en un componente de los fertilizantes.

En la región europea, la reacción del nitrato de calcio, NH3 y CO2 se utiliza para producir NH4NO3.

2.1. A partie de amoníaco y ácido nítrico

El nitrato de amonio se forma por la reacción entre amoníaco gaseoso y ácido nítrico y se caracteriza por la liberación de calor, que oscila entre 100 y 115 J por mol de NH4NO3. En diversos procesos productivos, esta exotermia se aprovecha para la evaporación parcial o total del agua.

Dependiendo de las condiciones de presión y de la concentración de ácido nítrico involucrada, resulta factible producir soluciones de nitrato de amonio del 95 al 97%.

Durante el proceso de neutralización, es imperativo garantizar una mezcla rápida y completa de los reactivos dentro del reactor para evitar el sobrecalentamiento localizado, las pérdidas de nitrógeno y la descomposición del nitrato de amonio.

Las instalaciones convencionales utilizan métodos como el proceso Uhde y el proceso SBA (Société Belge de l’Azote), que se caracterizan por sus temperaturas de reacción más bajas y su susceptibilidad reducida a la corrosión.

El aprovechamiento óptimo del calor de reacción se consigue mediante una neutralización basada en la presión.

El proceso UCB (figura 1) presenta un intercambiador de calor dentro del reactor de presión, que utiliza una parte del calor de reacción para producir vapor. Se inyecta amoníaco precalentado y entre un 52 y un 63 % de HNO3 en el sumidero del reactor, que funciona a una presión de aproximadamente 0,45 MPa (4,5 bar) y temperaturas de 170 a 180 °C.

Production of ammonium nitrate by the UCB process
Figura 1: Producción de nitrato de amonio mediante el proceso UCB

La solución resultante de 75 – 80 % de NH4NO3 se concentra luego al 95 % mediante un evaporador de película descendente. Aquí, el calor de reacción facilita la generación de vapor de proceso a partir del agua que se evapora dentro del ácido nítrico.

Este vapor de proceso sirve para precalentar el agua de alimentación de la caldera y el ácido nítrico, además de operar el evaporador de película descendente. Además, una parte del calor de reacción crea vapor puro, que puede canalizarse hacia la piscina de vapor para usos alternativos.

Mantener un rango de pH de 3 a 5 mitiga las pérdidas de nitrógeno en el vapor del proceso y las condiciones operativas se ajustan con precisión para evitar la acumulación excesiva de vapor del proceso.

Otro proceso presurizado es el proceso Stamicarbon (Figura 2) que emplea un reactor de circuito que se abre hacia un separador. La circulación de la solución de reacción se mantiene mediante el calor generado dentro del sistema.

Production of ammonium nitrate by the Stamicarbon process
Figura 2: Producción de nitrato de amonio mediante el proceso Stamicarbon
a) Neutralizador; b) Tanque intermedio; c) Condensador de vapor excedente; d) Depurador de amoníaco; e) Condensador; f) Tanque de solución de amoníaco diluido; g) Tanque de condensado; h) Enfriador; i) Evaporador; k) Separador; l) Sellar el recipiente; m) Tanque de almacenamiento de solución de nitrato de amonio al 95 %

En el extremo inferior del circuito se introduce ácido nítrico precalentado (60 % en peso), amoníaco y una pequeña cantidad de ácido sulfúrico. Operando a 0,4 MPa (4 bar) y 178 °C, el reactor produce una solución de nitrato de amonio con una concentración del 78%.

El vapor extraído de la parte superior del separador se utiliza para concentrar la solución de NH4NO3 al 95% en un evaporador al vacío. Además, el exceso de vapor se condensa y el amoníaco recuperado se recicla al reactor.

Se realiza una concentración adicional al 98 – 99,5 % en un evaporador posterior, utilizando vapor fresco, mientras que la temperatura de la solución de nitrato de amonio se mantiene meticulosamente por debajo de 180 °C durante la neutralización y la evaporación.

El proceso de presión NSM/Norsk Hydro (Figura 3) se caracteriza por el uso de amoníaco y ácido nítrico precalentados. Operando a una presión de entre 0,4 y 0,5 MPa (aproximadamente 4,5 bar) y temperaturas que oscilan entre 170 y 180 °C, este enfoque da como resultado una concentración de solución del 70 al 80 %.

Production of ammonium nitrate by the NSM-Norsk Hydro process
Figura 3: Producción de nitrato de amonio mediante el proceso NSM/Norsk Hydro
a) Evaporador/sobrecalentador de amoníaco; b) Precalentador de ácido nítrico; c) Caldera; d) Reactor; e) Separador del reactor; f) Depurador; g) tanque flash; h) Evaporador; i) Separador; k) Condensador; l) Eyector; m) Tanque

La circulación forzada, junto con un efecto de sifón térmico, impulsa la solución a través del reactor. Una parte del calor de reacción contribuye a generar vapor puro dentro de una caldera externa, mientras que otra parte vaporiza el agua dentro del reactor, generando vapor de proceso utilizado para concentrar la solución de nitrato de amonio al 95%.

La minimización de las pérdidas de amoníaco se logra mediante el lavado del vapor del proceso con ácido nítrico, añadido a una solución de nitrato de amonio en circulación. La etapa final de concentración, hasta el 99,5 %, se logra mediante vapor en un evaporador de vacío especializado.

En Estados Unidos, el proceso Stengel permite la producción directa de nitrato de amonio anhidro. Se introducen amoníaco precalentado y aproximadamente un 58 % de ácido nítrico en un reactor tubular vertical empaquetado, que funciona a 0,35 MPa (3,5 bar) y 240 °C.

Después de la expansión al vacío dentro de un separador centrífugo, la mezcla resultante de NH4NO3 y vapor se elimina con aire caliente, lo que lleva a la descarga de una masa fundida de NH4NO3 del 99,8%.

A continuación, esta masa fundida se solidifica sobre una cinta de acero enfriada y se procesa posteriormente mediante rotura o granulación. En particular, la eliminación del vapor se produce en la parte superior de este proceso.

En todos estos procesos, es importante mantener cuidadosamente el rango de pH deseado. Para temperaturas de reacción inferiores a 170 °C, mantener un pH entre 2,4 y 4 sirve para minimizar las pérdidas de nitrógeno.

En los neutralizadores a base de presión, donde se encuentran temperaturas más altas y un mayor potencial de descomposición, se hace necesario un rango de pH ligeramente elevado de 4,6 a 5,4.

2.2. Conversión de tetrahidrato de nitrato de calcio

En el proceso Odda, los fertilizantes nitrofosfato se producen mediante la digestión de fosfato crudo con ácido nítrico formando nitrato de calcio tetrahidratado, Ca(NO3)2 · 4 H2O, como subproducto en cantidades sustanciales.

Mientras que la producción de nitrofosfatos aumenta, la demanda de nitrato de calcio disminuye. Un método que se introdujo hace varios años incluye el tratamiento del nitrato de calcio tetrahidratado con amoníaco y dióxido de carbono, lo que da como resultado la formación de nitrato de amonio y carbonato de calcio mediante la siguiente reacción química:

Ca(NO3)2 • 4H2O(s) + 2NH3(g) + CO2(g) → 2NH4NO3(ac) + CaCO3(s) + 3H2O  ⇔ ΔH = -126 kJ/mol

El calor liberado durante esta reacción es lo suficientemente sustancial como para facilitar la evaporación completa de toda el agua asociada. Sin embargo, una aproximación directa a este procedimiento no es viable debido a las condiciones de equilibrio desfavorables que prevalecen a temperaturas elevadas.

El proceso BASF separa la eliminación de calor de la reacción que involucra Ca(NO3)2 y (NH4)2CO3. En este método, el NH3 y el CO2 se disuelven en una solución de NH4NO3 circulante y el calor generado se gestiona de manera eficiente.

Simultáneamente, el nitrato de calcio tetrahidratado se disuelve en una solución distinta de NH4NO3. Posteriormente, estas dos soluciones se combinan y reaccionan a aproximadamente 50 °C, lo que da como resultado una generación mínima de calor.

El tamaño de los granos precipitados de calcita se puede manipular mediante la forma en que se introducen los reactivos. Después de la reacción, la solución resultante de NH4NO3, que tiene una concentración aproximada del 65%, se separa del CaCO3 mediante un filtro de cinta y posteriormente se concentra por evaporación.

El CaCO3 residual aún puede contener trazas de compuestos de amonio y fosfato, lo que lo hace especialmente adecuado para su uso en la producción de nitrato de calcio y amonio. Al preparar el nitrato de calcio antes de su conversión, la generación de CaCO3 relativamente puro se convierte en un resultado viable.

En un enfoque distinto que facilita la conversión directa de nitrato de calcio y al mismo tiempo aborda el calor liberado durante la reacción, Hoechst desarrolló un reactor vertical especializado.

En este diseño de reactor, se introduce CO2 gaseoso en la sección inferior y la introducción de amoníaco se produce en tres zonas distintas, cada una de las cuales se enfría activamente mediante la circulación de agua.

3. Usos del nitrato de amonio

El nitrato de amonio (AN) se utiliza principalmente como fertilizante, a menudo en su forma pura, diluido o como componente dentro de mezclas de múltiples nutrientes. Se encuentra en fertilizantes líquidos junto con la urea, que es importante en regiones como Estados Unidos, Europa del Este y Francia.

En los sectores agrícolas de Estados Unidos, Reino Unido y Francia, se emplea ampliamente nitrato de amonio con un contenido de nitrógeno del 33,5% o superior. Estados Unidos también utiliza un fertilizante que contiene 32,5% de N.

En la República Federal de Alemania el nitrato de amonio se integra en mezclas junto con la cal, la dolomita, el sulfato de amonio o la potasa, con especial énfasis en el nitrato de calcio y amonio.

3.1. Nitrato de calcio y amonio

Una solución de nitrato de amonio (aproximadamente 95 – 97%) se puede transformar en gránulos combinándola con carbonato de calcio finamente dividido derivado de piedra caliza triturada u obtenido mediante la conversión de nitrato de calcio.

Los pasos posteriores implican secar, enfriar, cribar y aplicar tratamientos para evitar el apelmazamiento. La formación de nitrato de calcio higroscópico resultante de la reacción entre el nitrato de amonio y la piedra caliza se evita mediante la adición de aditivos como (NH4)2SO4, MgSO4 y FeSO4.

En Alemania, el contenido de nitrógeno del nitrato de calcio y amonio se ha incrementado gradualmente desde el 20,5% N original hasta el nivel actual del 27,5% N, respetando el límite superior definido por las regulaciones de la Comunidad Económica Europea en 28% N.

3.2. Nitrato de sulfato de amonio

Este fertilizante mixto de sulfato y nitrato se crea agregando sulfato de amonio a una solución de aproximadamente 95 % de nitrato de amonio o neutralizando mezclas de HNO3-H2SO4 con amoníaco.

El producto granulado, de naturaleza ligeramente higroscópica, es una mezcla de la sal doble 2 NH4NO3 • (NH4)2SO4 y una pequeña cantidad de sulfato de amonio, que posee un contenido de nitrógeno del 26% N para < 45% de nitrato de amonio.

Con el tiempo, esta mezcla puede tender a endurecerse debido a reacciones adicionales. Este endurecimiento puede evitarse introduciendo sales de Mg, Fe o Al.

3.3. Nitrato de potasio y amonio

El nitrato de potasio y amonio se sintetiza de manera similar al nitrato de sulfato de amonio, con la adición de una sal de potasio (ya sea cloruro o sulfato) para producir fertilizantes como 20–0–20 (N–P2O5–K2O).

3.4. nitromagnesia

La nitromagnesia es un fertilizante derivado del nitrato de amonio, el sulfato de amonio y compuestos de magnesio como la dolomita, el carbonato de magnesio o el sulfato de magnesio. Una de dichas formulaciones puede contener aproximadamente un 20 % de N, un 8 % de MgO y normalmente un 0,2 % de Cu.

3.5. Otras aplicaciones

El nitrato de amonio sirve como ingrediente clave en los explosivos de seguridad utilizados en la minería debido a su temperatura de explosión comparativamente baja. Combinarlo con NaCl reduce la temperatura de explosión, mitigando el riesgo de encender el grisú.

En algunos casos, los explosivos de seguridad se formulan en base al par de sales complementarias NaNO3 + NH4Cl → NH4NO3 + NaCl.

Para obtener un mayor poder explosivo en aplicaciones como la minería (explosivos de rocas), se utiliza nitrato de amonio granulado poroso que contiene alrededor del 6 % de gasóleo.

En pequeñas cantidades, el nitrato de amonio participa en la producción de monóxido de dinitrógeno (N2O). La sal debe estar libre de sustancias orgánicas, hierro, cloruros y sulfatos y tener una pureza elevada del 99,5% NH4NO3.

4. Seguridad

El nitrato de amonio, aunque estable en circunstancias habituales, sufre distintas reacciones de descomposición a temperaturas elevadas, como:

1. Una disociación endotérmica y reducción del pH por encima de 169 °C:

NH4NO3 → HNO3 + NH3    ΔH = +175 kJ/mol

2. Eliminación exotérmica de N2O mediante calentamiento cuidadoso a 200 °C:

NH4NO3 → N2O + 2H2O     ΔH = -37 kJ/mol

3. Eliminación exotérmica de N2 y NO2 por encima de 230 °C:

4NH4NO3 → 3N2 + 2NO2 + 8H2O      ΔH = -102 kJ/mol

4. Eliminación exotérmica de nitrógeno y oxígeno, provocando detonación:

NH4NO3 → N2 + 1/2 O2 + 2H2O      ΔH = -118,5 kJ/mol

El nitrato de amonio puro, las soluciones calientes concentradas, ciertas mezclas y las formas de fertilizantes no estabilizados pueden ser explosivos susceptibles de detonar por ondas de choque. Aunque el calor liberado es relativamente pequeño en comparación con compuestos como el hexógeno, almacenar cantidades significativas presenta serios riesgos. Factores como iones de hidrógeno, cloruros y metales pesados pueden catalizar la descomposición.

Es especialmente peligroso calentar nitrato de amonio contaminado o compactado. Después de incidentes como los desastres de Brest y Texas City en 1947, donde el fertilizante recubierto de cera de nitrato de amonio explotó debido a incendios, las regulaciones ahora limitan las sustancias inflamables al 0,2% o 0,4%.

En Alemania, la Ley de materiales de trabajo describe protocolos para el almacenamiento, carga y transporte de nitrato de amonio. Por ejemplo, el almacenamiento de nitrato de amonio potencialmente detonable se limita a pequeñas cantidades en instalaciones especialmente equipadas.

Se aplican reglas similares en otros países europeos, mientras que Estados Unidos, Francia, Noruega e Inglaterra permiten un almacenamiento relativamente mayor bajo ciertas condiciones.

En Alemania, al nitrato de amonio se le añaden materiales inertes como polvo de piedra caliza o dolomita para su uso como fertilizante (nitrato de calcio y amonio). Estos fertilizantes, que contienen hasta un 80% de nitrato de amonio, un máximo de un 0,4% de componentes combustibles y al menos un 18% de carbonato de magnesio o calcio, se consideran no detonables.

Los consejos de seguridad son los siguientes:

  1. No explote productos solidificados que contengan nitrato de amonio durante el almacenamiento.
  2. Guarde los productos de nitrato de amonio lejos de materiales oxidables o inflamables.
  3. Al calentar nitrato de amonio, utilice pequeñas cantidades y evite los catalizadores.

Referencia

Preguntas más frecuentes

El nitrato de amonio (NH4NO3) es un compuesto químico compuesto por iones amonio (NH4+) e iones nitrato (NO3-). Es una sustancia cristalina incolora ampliamente utilizada en diversas aplicaciones, incluidas la agricultura, la industria y los explosivos.

La masa molar del nitrato de amonio es de aproximadamente 80,04 gramos por mol (g/mol).

El nitrato de amonio se produce comúnmente neutralizando el ácido nítrico (HNO3) con amoníaco (NH3). Esta reacción exotérmica forma nitrato de amonio y agua:

HNO3 + NH3 → NH4NO3 + H2O

El nitrato de amonio tiene diversas aplicaciones. En la agricultura, es un ingrediente clave en los fertilizantes, ya que promueve el crecimiento de las plantas al proporcionar nitrógeno esencial. También se utiliza en explosivos, donde su descomposición controlada libera gases que provocan explosiones. Además, se utiliza en diversos procesos industriales, compresas frías y como agente oxidante.

El pH de una solución de nitrato de amonio al 1% en agua es aproximadamente de 5,5 a 6,0, lo que la hace ligeramente ácida. La presencia de iones de amonio contribuye a esta naturaleza ligeramente ácida.

El nitrato de calcio y amonio es un tipo de fertilizante que incluye tanto nitrato de amonio como carbonato de calcio. Se utiliza para aportar a las plantas nutrientes nitrógeno y calcio, potenciando su crecimiento y desarrollo.

El nitrato de amonio puede volverse explosivo en determinadas condiciones debido a su capacidad para sufrir una rápida descomposición, liberando gases como óxidos de nitrógeno y vapor de agua.

Cuando el nitrato de amonio se mezcla con agua, se disuelve fácilmente formando una solución acuosa. Este proceso de disolución es endotérmico, lo que significa que absorbe calor de su entorno, lo que produce un efecto refrescante.