Production et utilisations du nitrate d’ammonium

Ammonium nitrate structure

Le nitrate d’ammonium, NH4NO3, est un composé chimique important. Sa principale méthode de production implique la réaction entre l’acide nitrique et l’ammoniac et il est principalement utilisé dans les engrais de haute qualité. En tant qu’engrais direct, ce composé contribue à environ 24 % de la consommation mondiale d’engrais azotés.

Le nitrate d’ammonium est un ingrédient essentiel dans diverses formulations d’engrais mélangés et complexes, jouant ainsi un rôle important dans la satisfaction des besoins nutritionnels de la population mondiale.

Outre son utilisation agricole, le nitrate d’ammonium est utilisé comme agent oxydant et fait partie intégrante de nombreuses compositions explosives.

Table des matières

1. Propriétés physiques et chimiques du nitrate d’ammonium

Le nitrate d’ammonium, d’un poids moléculaire de 80,05, se présente sous la forme d’un sel incolore. Sa masse volumique à 20 degrés Celsius est de 1,725 g/cm³ et il possède une capacité calorifique spécifique de 1,70 J/g·K dans la plage de température de 0 à 31 degrés Celsius.

Son point de fusion est de 169,6 à 170 degrés Celsius. Le processus par lequel le nitrate d’ammonium est synthétisé à partir d’ammoniac et d’acide nitrique se caractérise par sa nature hautement exothermique, comme le montre la réaction :

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

La transition de phase qui se produit à 32,3 °C a des implications importantes pour le stockage des engrais contenant du nitrate d’ammonium. Une exposition répétée à cette transition peut entraîner la détérioration des granules d’engrais en raison de densités différentes, entraînant finalement leur désintégration.

Le nitrate d’ammonium est très soluble dans l’eau et présente un comportement hygroscopique. Par conséquent, des précautions sont nécessaires pour éviter l’absorption d’humidité pendant le transport et le stockage.

Lorsque le nitrate d’ammonium se dissout dans l’eau, il absorbe la chaleur, ce qui le rend utile pour congeler des mélanges, tels que ceux impliquant du chlorure de sodium et de la glace.

Le nitrate d’ammonium est soluble dans divers solvants non aqueux. Le NH3 liquide sert de solvant dans lequel le sel se dissout et absorbe facilement le NH3, produisant des solutions connues sous le nom de liquide Divers.

Les solutions aqueuses de nitrate d’ammonium, avec une concentration allant de 50 à 70 % en poids, absorbent vigoureusement le NH3 et servent d’agents pour extraire le NH3 des gaz. Ces solutions trouvent également une utilité dans l’ammoniation du superphosphate.

Dans le méthanol, le nitrate d’ammonium se dissout pour créer des solutions d’environ 20 % à 30 °C et d’environ 40 % à 60 °C. Sa solubilité dans l’éthanol est d’environ 4 % à 20 °C, tandis que dans l’acétone, il est moins soluble. Le nitrate d’ammonium est insoluble dans l’éther.

En tant qu’agent oxydant puissant, le nitrate d’ammonium reste stable dans des conditions de température et de pression standard. Cependant, en chauffant au-dessus de 170 °C, il se décompose en gaz. Cette décomposition est accélérée par de petites quantités de chlore ou d’acide libre.

2. Production de nitrate d’ammonium

Le nitrate d’ammonium est produit par la réaction de l’ammoniac avec l’acide nitrique. De plus, du nitrate d’ammonium est généré au cours du processus de fabrication des engrais azote-phosphore (NP) et azote-phosphore-potassium (NPK).

Cette formation se produit par la décomposition du phosphate brut avec l’acide nitrique, le sel résultant devenant un composant des engrais.

Dans la région européenne, la réaction du nitrate de calcium, du NH3 et du CO2 est utilisée pour produire du NH4NO3.

2.1. À partir d’ammoniac et d’acide nitrique

Le nitrate d’ammonium est formé par la réaction entre l’ammoniac gazeux et l’acide nitrique et se caractérise par un dégagement de chaleur allant de 100 à 115 J par mole de NH4NO3. Dans divers processus de production, cette exothermicité est exploitée pour l’évaporation partielle ou complète de l’eau.

Selon les conditions de pression et la concentration d’acide nitrique en cause, il devient possible d’obtenir des solutions de nitrate d’ammonium de 95 à 97 %.

Pendant le processus de neutralisation, il est impératif d’assurer un mélange rapide et complet des réactifs dans le réacteur pour éviter une surchauffe localisée, des pertes d’azote et la dégradation du nitrate d’ammonium.

Les installations conventionnelles utilisent des procédés comme le procédé Uhde et le procédé SBA (Société Belge de l’Azote) qui se caractérisent par leurs températures de réaction plus basses et leur sensibilité réduite à la corrosion.

L’exploitation optimale de la chaleur de réaction est obtenue grâce à une neutralisation basée sur la pression.

Le procédé UCB (figure 1) comprend un échangeur de chaleur dans le réacteur sous pression, utilisant une partie de la chaleur de réaction pour produire de la vapeur. De l’ammoniac préchauffé et 52 à 63 % de HNO3 sont injectés dans le puisard du réacteur, fonctionnant à une pression d’environ 0,45 MPa (4,5 bar) et à des températures de 170 à 180 °C.

Production of ammonium nitrate by the UCB process
Figure 1 : Production de nitrate d'ammonium par le procédé UCB

La solution résultante de 75 à 80 % de NH4NO3 est ensuite concentrée à 95 % par un évaporateur à film tombant. Ici, la chaleur de réaction facilite la génération de vapeur de procédé à partir de l’eau qui s’évapore dans l’acide nitrique.

Cette vapeur de procédé sert à préchauffer l’eau d’alimentation de la chaudière et l’acide nitrique, ainsi qu’à faire fonctionner l’évaporateur à film tombant. De plus, une partie de la chaleur de réaction crée de la vapeur pure, qui peut être canalisée dans le bain de vapeur pour d’autres utilisations.

Le maintien d’une plage de pH de 3 à 5 atténue les pertes d’azote dans la vapeur de procédé et les conditions de fonctionnement sont ajustées avec précision pour éviter l’accumulation excessive de vapeur de procédé.

Un autre procédé sous pression est le procédé Stamicarbon (Figure 2) utilisant un réacteur en boucle qui s’ouvre dans un séparateur. La circulation de la solution réactionnelle est maintenue grâce à la chaleur générée dans le système.

Production of ammonium nitrate by the Stamicarbon process
Figure 2 : Production de nitrate d'ammonium par le procédé Stamicarbon...a) Neutralisant ; b) Réservoir intermédiaire ; c) Condenseur de vapeur excédentaire ; d) Épurateur d'ammoniac ; e) Condenseur ; f) Réservoir de solution d'ammoniaque diluée ; g) Réservoir de condensat ; h) Refroidisseur ; i) Évaporateur ; k) Séparateur ; l) Sceller le pot ; m) Réservoir de stockage pour une solution de nitrate d'ammonium à 95 %

A l’extrémité inférieure de la boucle, de l’acide nitrique préchauffé (60 % en poids), de l’ammoniac et une petite quantité d’acide sulfurique sont introduits. Fonctionnant à 0,4 MPa (4 bars) et 178 °C, le réacteur produit une solution de nitrate d’ammonium à une concentration de 78 %.

La vapeur extraite du haut du séparateur est utilisée pour concentrer la solution de NH4NO3 à 95 % dans un évaporateur sous vide. De plus, la vapeur en excès est condensée et l’ammoniac récupéré est recyclé vers le réacteur.

Une concentration supplémentaire à 98 – 99,5% est effectuée dans un évaporateur ultérieur, en utilisant de la vapeur fraîche, tandis que la température de la solution de nitrate d’ammonium est méticuleusement maintenue en dessous de 180 ° C tout au long de la neutralisation et de l’évaporation.

Le procédé sous pression de NSM/Norsk Hydro (Figure 3) se caractérise par l’utilisation d’ammoniac et d’acide nitrique préchauffés. Fonctionnant à une pression comprise entre 0,4 et 0,5 MPa (environ 4,5 bar) et à des températures allant de 170 à 180 °C, cette approche aboutit à une concentration de la solution de 70 à 80 %.

Production of ammonium nitrate by the NSM-Norsk Hydro process
Figure 3 : Production de nitrate d'ammonium par le procédé NSM/Norsk Hydro..a) Évaporateur/surchauffeur d'ammoniac ; b) Préchauffeur d'acide nitrique ; c) Chaudière ; d) Réacteur ; e) Séparateur du réacteur ; f) Épurateur ; g) réservoir de flash ; h) Évaporateur ; i) Séparateur ; k) Condenseur ; l) Éjecteur ; m) Réservoir

Une circulation forcée, couplée à un effet de siphon thermique, entraîne la solution à travers le réacteur. Une partie de la chaleur de réaction contribue à générer de la vapeur pure dans une chaudière externe, tandis qu’une partie vaporise de l’eau dans le réacteur, générant de la vapeur de procédé utilisée pour concentrer la solution de nitrate d’ammonium à 95 %.

La minimisation des pertes d’ammoniac est obtenue par le lavage de la vapeur de procédé avec de l’acide nitrique, ajouté à une solution de nitrate d’ammonium en circulation. L’étape finale de concentration, jusqu’à 99,5%, est réalisée via de la vapeur dans un évaporateur sous vide spécialisé.

Aux États-Unis, le procédé Stengel permet la production directe de nitrate d’ammonium anhydre. De l’ammoniac préchauffé et environ 58 % d’acide nitrique sont introduits dans un réacteur tubulaire vertical garni, fonctionnant à 0,35 MPa (3,5 bar) et 240 °C.

Après détente sous vide dans un séparateur centrifuge, le mélange résultant de NH4NO3 et de vapeur subit un stripage à l’air chaud, conduisant à l’évacuation d’une masse fondue de NH4NO3 à 99,8 %.

Cette masse fondue est ensuite solidifiée sur une bande d’acier refroidie et traitée ultérieurement par concassage ou granulation. Notamment, l’élimination de la vapeur se produit au sommet de ce processus.

Dans tous ces processus, le maintien soigneux de la plage de pH souhaitée est important. Pour des températures de réaction inférieures à 170 °C, le maintien d’un pH entre 2,4 et 4 permet de minimiser les pertes d’azote.

Dans les neutralisants basés sur la pression, où des températures plus élevées et un potentiel accru de décomposition sont rencontrés, une plage de pH légèrement élevée de 4,6 à 5,4 devient nécessaire.

2.2. Conversion du nitrate de calcium tétrahydraté

Dans le procédé Odda, les engrais nitrophosphates sont produits par la digestion du phosphate brut avec de l’acide nitrique formant du nitrate de calcium tétrahydraté, Ca(NO3)2 • 4 H2O, comme sous-produit en quantités substantielles.

Alors que la production de nitrophosphates connaît une augmentation, la demande en nitrate de calcium connaît une baisse. Une méthode introduite il y a plusieurs années comprend le traitement du nitrate de calcium tétrahydraté avec de l’ammoniac et du dioxyde de carbone, entraînant la formation de nitrate d’ammonium et de carbonate de calcium par la réaction chimique suivante :

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

La chaleur dégagée lors de cette réaction est suffisamment importante pour faciliter l’évaporation complète de toute l’eau associée. Cependant, une approche directe de cette procédure est impossible en raison des conditions d’équilibre défavorables qui prévalent à des températures élevées.

Le procédé BASF sépare l’évacuation de la chaleur de la réaction impliquant Ca(NO3)2 et (NH4)2CO3. Dans cette méthode, le NH3 et le CO2 sont dissous dans une solution de NH4NO3 en circulation et la chaleur générée est gérée efficacement.

Simultanément, le nitrate de calcium tétrahydraté est dissous dans une solution distincte de NH4NO3. Par la suite, ces deux solutions sont combinées et mises à réagir à environ 50 ° C, ce qui entraîne une génération de chaleur minimale.

La taille des grains précipités de calcite peut être manipulée par la manière dont les réactifs sont introduits. Après la réaction, la solution de NH4NO3 résultante, possédant une concentration approximative de 65 %, est séparée du CaCO3 à l’aide d’un filtre à bande, puis concentrée par évaporation.

Le CaCO3 résiduel peut encore contenir des traces de composés d’ammonium et de phosphate, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation dans la production de nitrate de calcium et d’ammonium. En préparant le nitrate de calcium avant sa conversion, la génération de CaCO3 relativement pur devient un résultat viable.

Dans une approche distincte qui facilite la conversion directe du nitrate de calcium tout en traitant simultanément la chaleur dégagée pendant la réaction, Hoechst a développé un réacteur vertical spécialisé.

Dans cette conception de réacteur, le CO2 gazeux est introduit dans la section inférieure et l’introduction d’ammoniac se produit dans trois zones distinctes, chacune étant activement refroidie par circulation d’eau.

3. Utilisations du nitrate d’ammonium

Le nitrate d’ammonium (AN) est principalement utilisé comme engrais, souvent sous sa forme pure, diluée ou comme composant dans des mélanges multinutriments. On le trouve dans les engrais liquides aux côtés de l’urée, qui est importante dans des régions comme les États-Unis, l’Europe de l’Est et la France.

Dans les secteurs agricoles des États-Unis, du Royaume-Uni et de la France, le nitrate d’ammonium ayant une teneur en azote de 33,5 % ou plus est largement utilisé. Les États-Unis utilisent également un engrais contenant 32,5 % de N.

En République fédérale d’Allemagne, le nitrate d’ammonium est intégré dans des mélanges aux côtés de la chaux, de la dolomite, du sulfate d’ammonium ou de la potasse, avec un accent particulier sur le nitrate d’ammonium calcique (CAN).

Nitrate de calcium et d’ammonium (CAN)

Une solution de nitrate d’ammonium (environ 95 à 97%) peut être transformée en granulés en la combinant avec du carbonate de calcium finement divisé dérivé de calcaire broyé ou obtenu par conversion de nitrate de calcium.

Les étapes suivantes impliquent le séchage, le refroidissement, le tamisage et l’application de traitements pour empêcher l’agglutination. La formation de nitrate de calcium hygroscopique résultant de la réaction entre le nitrate d’ammonium et le calcaire est empêchée par l’ajout d’additifs tels que (NH4) 2SO4, MgSO4 et FeSO4.

En Allemagne, la teneur en azote du nitrate d’ammonium calcique a été progressivement augmentée des 20,5% N d’origine au niveau actuel de 27,5% N, en respectant la limite supérieure définie par la réglementation de la Communauté économique européenne à 28% N.

Nitrate de sulfate d’ammonium (ASN)

Cet engrais mixte sulfate-nitrate est créé en ajoutant du sulfate d’ammonium dans une solution d’environ 95% de nitrate d’ammonium, ou en neutralisant des mélanges HNO3-H2SO4 avec de l’ammoniac.

Le produit granulé, de nature légèrement hygroscopique, est un mélange du sel double 2 NH4NO3 • (NH4)2SO4 et d’une quantité minoritaire de sulfate d’ammonium, possédant une teneur en azote de 26 % N pour < 45 % de nitrate d’ammonium.

Au fil du temps, ce mélange peut avoir tendance à durcir en raison de réactions ultérieures. Un tel durcissement peut être évité en introduisant des sels de Mg, Fe ou Al.

Nitrate d’ammonium et de potassium

Le nitrate d’ammonium et de potassium est synthétisé de la même manière que le nitrate de sulfate d’ammonium, avec l’ajout d’un sel de potassium (chlorure ou sulfate) pour produire des engrais tels que 20–0–20 (N–P2O5–K2O).

Nitromagnésie

La nitromagnésie est un engrais dérivé de nitrate d’ammonium, de sulfate d’ammonium et de composés de magnésium comme la dolomite, le carbonate de magnésium ou le sulfate de magnésium. Une telle formulation peut contenir approximativement 20 % de N, 8 % de MgO et typiquement 0,2 % de Cu.

Autres applications

Le nitrate d’ammonium est un ingrédient clé des explosifs de sécurité utilisés dans les mines en raison de sa température d’explosion relativement basse. Sa combinaison avec du NaCl abaisse la température d’explosion, atténuant le risque d’enflammer le grisou.

Dans certains cas, les explosifs de sécurité sont formulés à partir du couple de sels complémentaires NaNO3 + NH4Cl → NH4NO3 + NaCl.

Pour une plus grande puissance explosive dans des applications telles que l’exploitation minière (explosifs de roche), du nitrate d’ammonium perlé poreux contenant environ 6% de carburant diesel est utilisé.

En petites quantités, le nitrate d’ammonium participe à la production de monoxyde de diazote (N2O). Le sel doit être exempt de substances organiques, de fer, de chlorures et de sulfates et très pur à 99,5 % de NH4NO3.

4. Sécurité

Le nitrate d’ammonium, bien que stable dans des circonstances habituelles, subit des réactions de décomposition distinctes à des températures élevées telles que :

1. Une dissociation endothermique et une réduction du pH au-dessus de 169 °C :

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

2. Élimination exothermique du N2O par chauffage soigneux à 200 °C :

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

3. Élimination exothermique de N2 et NO2 au-dessus de 230 °C :

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

4. Élimination exothermique de l’azote et de l’oxygène, conduisant à la détonation :

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

Le nitrate d’ammonium pur, les solutions chaudes concentrées, certains mélanges et les formes d’engrais non stabilisés peuvent tous être des explosifs susceptibles de détoner par des ondes de choc. Bien que la chaleur dégagée soit relativement faible par rapport à des composés comme l’hexogène, le stockage de quantités importantes présente de sérieux risques. Des facteurs tels que les ions hydrogène, les chlorures et les métaux lourds peuvent catalyser la décomposition.

Le chauffage du nitrate d’ammonium contaminé ou compacté est particulièrement dangereux. À la suite d’incidents comme les catastrophes de Brest et de Texas City en 1947, où l’engrais ciré au nitrate d’ammonium a explosé en raison d’incendies, la réglementation limite désormais les substances inflammables à 0,2 % ou 0,4 %.

En Allemagne, la loi sur les matériaux de travail définit des protocoles pour le stockage, le chargement et le transport du nitrate d’ammonium. Par exemple, le stockage de nitrate d’ammonium potentiellement détonant est limité à de petites quantités dans des installations spécialement équipées.

Des règles similaires s’appliquent dans d’autres pays européens, tandis que les États-Unis, la France, la Norvège et l’Angleterre autorisent un stockage relativement plus important sous certaines conditions.

En Allemagne, des matériaux inertes comme la poudre de calcaire ou la dolomie sont ajoutés au nitrate d’ammonium pour l’utilisation d’engrais (nitrate d’ammonium calcique). Ces engrais, contenant jusqu’à 80 % de nitrate d’ammonium, un maximum de 0,4 % de composants combustibles et au moins 18 % de carbonate de magnésium ou de calcium, sont considérés comme non détonants.

les conseils de sécurité sont les suivants :

  1. Ne pas souffler les produits solidifiés contenant du nitrate d’ammonium pendant le stockage.
  2. Entreposer les produits à base de nitrate d’ammonium à l’écart des matières oxydables ou inflammables.
  3. Lorsque vous chauffez du nitrate d’ammonium, utilisez de petites quantités et évitez les catalyseurs.

Référence

FAQ

Le nitrate d’ammonium (NH4NO3) est un composé chimique composé d’ions ammonium (NH4+) et d’ions nitrate (NO3-). C’est une substance cristalline incolore largement utilisée dans diverses applications, notamment l’agriculture, l’industrie et les explosifs.

La masse molaire du nitrate d’ammonium est d’environ 80,04 grammes par mole (g/mol).

Le nitrate d’ammonium est généralement produit en neutralisant l’acide nitrique (HNO3) avec de l’ammoniac (NH3). Cette réaction exothermique forme du nitrate d’ammonium et de l’eau :
HNO3 + NH3 → NH4NO3 + H2O

Le nitrate d’ammonium a diverses applications. En agriculture, c’est un ingrédient clé des engrais, favorisant la croissance des plantes en fournissant de l’azote essentiel. Il est également utilisé dans les explosifs, où sa décomposition contrôlée libère des gaz qui provoquent des explosions. De plus, il trouve une utilisation dans divers processus industriels, compresses froides et comme agent oxydant.

Le pH d’une solution à 1 % de nitrate d’ammonium dans l’eau est d’environ 5,5 à 6,0, ce qui la rend légèrement acide. La présence d’ions ammonium contribue à ce caractère légèrement acide.

Le nitrate d’ammonium et de calcium (CAN) est un type d’engrais qui comprend à la fois du nitrate d’ammonium et du carbonate de calcium. Il est utilisé pour fournir aux plantes des nutriments azotés et calciques, améliorant leur croissance et leur développement.

Le nitrate d’ammonium peut devenir explosif dans certaines conditions en raison de sa capacité à subir une décomposition rapide, libérant des gaz comme les oxydes d’azote et la vapeur d’eau.

lorsque le nitrate d’ammonium est mélangé avec de l’eau, il se dissout facilement, formant une solution aqueuse. Ce processus de dissolution est endothermique, ce qui signifie qu’il absorbe la chaleur de son environnement, ce qui entraîne un effet de refroidissement.