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Nitrato de amonio

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Propiedades

General

Nombre Nitrato de amonio
Apariencia sólido blanco

Físicas

Peso molecular 80,0 uma
Punto de fusión 442 K (169 °C)
Punto de ebullición se descompone a 483 K (210 °C)
Densidad 1,7 ×10³ kg/m³
Estructura cristalina ?
Solubilidad 208 g en 100g de agua

Termoquímica

ΔfH0líquido -359,6 kJ/mol
ΔfH0sólido -366 kJ/mol
S0líquido, 1 bar ? J/mol·K
S0sólido 151 J/mol·K

Riesgos

Ingestión Peligroso en grandes cantidades.
Inhalación Muy peligroso - puede ser fatal.
Piel Puede causar irritación.
Ojos Puede causar irritación.
Más información Hazardous Chemical Database (En inglés)
 
   Valores en el SI y en condiciones normales
(0 ºC y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

Exenciones y referencias </font> </th></tr> </table>

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.

Datos fisicoquímicos Editar sección

  • Fórmula: NH4NO3
  • Masa molecular: 80,04 g/mol
  • Punto de fusión: 169,6 °C
  • Punto de ebullición: 210 °C (decomposición)
  • Densidad: 1,72 g/ml
  • Nº CAS: 6484 - 52 -2
  • LD50: 2.217 mg/kg (rata)

Síntesis Editar sección

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

NH3 + HNO3 -> NH4NO3

Aplicaciones Editar sección

El nitrato amónico se utiliza sobre todo como fertilizante es debido a 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:

NH4NO3 -> 2 H2O + N2O

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.

El nitrato de ammonio se ha empleado también en diversos ataques terroristas como por ejemplo en el de Oklahoma (EE.UU.).

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 (Directiva 96/91/ CE del Consejo de 24 de septiembre de 1996 relativa a la prevención y control integrados de la contaminación, IPPC y Decisión de la Comisión, de 17 de julio de 2000, relativa a la realización de un inventario europeo de emisiones contaminantes con arreglo al artículo 15 de la Directiva 96/61/CE del Consejo) y españolas (Ley 16/2002, de 1 de julio, de prevención y control integrados de la contaminación y Real Decreto-Ley 5/2004, de 27 de agosto, por el que se regula el régimen del comercio de derecho de emisión de gases de efecto invernadero).

En la actualidad existen en Europa, según EFMA, en torno a 10 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:

  1. Las consideraciones comerciales influirán en la elección de un proceso u otro.
  1. 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 Editar sección

El nitrato amónico se produce principalmente a partir de amoniaco y de ácido nítrico, pero existe otro método basado en la reacción del nitrato cálcico tetrahidratado ( ) con amoniaco y dióxido de carbono que también es utilizado de forma industrial. El nitrato amónico es además un producto secundario de la fabricación de fertilizantes combinados de nitrógeno y fósforo (NP) y de nitrógeno, fósforo y potasio (NPK) mediante el procedimiento del nitrofosfato.

La reacción entre el amoniaco 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 169º C y tiene un punto de ebullición de 230º C. La concentración del ácido nítrico usado normalmente es de 55 a 65 % w, mientras su punto de ebullición a presión atmosférica es de 120º 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 100º C por un largo periodo de tiempo sufre una descomposición termal hacia amoniaco y ácido nítrico, descomposición que a más de 185º 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 amoniaco 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.

El esquema general de toda planta de nitrato amónico es el siguiente:

Figura 6.1: Esquema general de una planta de nitrato amónico.

NeutralizaciónEditar sección

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 (como se ve en la Figura 6.2) se va controlando la proporción teórica que necesitamos de amoniaco y de ácido nítrico en el reactor.

• 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:

o 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. o 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.

Dos ejemplos de neutralizadores se muestran en las siguientes figuras:


Siendo: A) Nivel de llenado; a) Tubería de alimentación de amoniaco; b) Tubería de alimentación de ácido nítrico; c) Tubería de alimentación extra; d) Tubo interior; e) Compartimento interior; f) Compartimento exterior; g) Cámara de neutralización; h) Parte superior del neutralizador; i) Vapor saliente; k) Recipiente; l) Solución de nitrato amónico. Figura 6.2: Sistemas de neutralización de amoniaco y ácido nítrico.

Debido a que la cantidad de nitrato amónico a temperatura elevada debe reducirse al máximo y que los compuestos deben ser mezclados rápida y totalmente en el reactor, para evitar pérdidas de nitrógeno, puntos locales de mayor temperatura y la descomposición de nitrato amónico, el neutralizador es un conducto tubular situado verticalmente y de volumen muy bajo. Tanto el neutralizador como el evaporador son generalmente construidos a partir de aleaciones inoxidables que contienen poco carbono (menos de 0.1%). A continuación el vapor se separa de la disolución en un ciclón y parte del líquido seguirá el proceso de evaporación y parte se recircula por medio de una bomba (o por su propia impulsión) al neutralizador. La presencia de una bomba en esta clase de circuito presenta sin embargo varios riesgos (fugas, riesgo de calentamiento de las disoluciones, etc.).

La neutralización puede llevarse a cabo en un paso o en dos pasos, los neutralizadores en dos pasos, trabajan a bajo pH en el paso inicial (condiciones ácidas) y a pH neutro en el segundo paso, favoreciéndose así la retención de amoniaco.

El neutralizador se trata del equipo básico para la clasificación del proceso pues el desprendimiento de calor es extremadamente rápido, lo cual ha de ser tenido en cuenta en el diseño del neutralizador para evitar lo que ha sucedido en varias ocasiones, la explosión del neutralizador . A continuación se muestran distintas clasificaciones de los procesos a partir del neutralizador.

Tipos de neutralizadores según la temperatura de la zona de reacciónEditar sección

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.
  1. 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.

E inconvenientes tales 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.
  1. 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 200º 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.

  1. 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 180º C aproximadamente. A presiones y temperaturas más elevadas se causan mayores pérdidas y más corrosión, siendo necesarios equipos especiales.

Tipos de neutralizadores de acuerdo con la recuperación de calor de reacciónEditar sección

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.

Tipos de neutralizadores de acuerdo con la presión de los vapores producidos en el neutralizadorEditar sección

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:

• Procesos de flash a vacío: o Más simples, con la menor recuperación posible de calor, como el Proceso Udhe IG Farbenindustrie o Más complejos, con la máxima recuperación de calor, como el Proceso Kestner.

• Procesos con neutralización a presión atmosférica: o Proceso ICI o Proceso Kaltenbach Nitrablock • Procesos con neutralización bajo presión: o Proceso Fauser o Proceso Stamicarbon o Proceso Kaltenbach de alta concentración o Proceso SBA o Proceso UCB o Proceso Stengel

Neutralización a presión inferior a la atmosférica (a vacío)Editar sección

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 120º 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: amoniaco, 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 vacíoEditar sección

• 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 o 170º 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 atmosféricaEditar sección

Estos equipos son más simples que los anteriores, trabajan a mayores temperaturas (en torno a los 150 y 200º 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 atmosféricaEditar sección

• 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 sobrepresiónEditar sección

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 200º C. Dentro de este grupo se pueden mostrar los procesos Fauser y Stengel que se explicarán posteriormente.

Ventajas e inconvenientes de la neutralización a sobrepresiónEditar sección

• 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.

EvaporaciónEditar sección

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 amónico 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.

Los evaporadores industriales utilizados deben contener unos requerimientos mínimos de seguridad, en lo que se trata fundamentalmente de:

• Volumen pequeño. • Corto tiempo de residencia. • Protección frente al sobrecalentamiento, requiriéndose la menor temperatura de trabajo con la mayor eficiencia energética posible.

Suelen utilizarse fundamentalmente evaporadores de casco y tubo, columnas y evaporadores de película descendente. Los evaporadores atmosféricos eran los más usados cuando se usaban bajas concentraciones de ácido nítrico y una menor eficiencia en la utilización de calor imponían un mayor rendimiento en la evaporación, consistían básicamente en un intercambiador de calor seguido de un separador de vapor.

Los más usados son los evaporadores de película descendente, los cuales operarán a presión atmosférica, el aire caliente soplado reduce la presión parcial del vapor, lográndose una menor temperatura operacional. Esto junto a un menor tiempo de residencia en el evaporador, provocan que tengan una mayor seguridad que en el resto. Además presentan mejores posibilidades de control y una mejor eficiencia térmica.

6.2.4 Control del tamaño de las partículas en cristalización Esta última etapa de la producción de nitrato amónico es, a menudo, la consecuencia del proceso de evaporación. Este paso consiste en aportar al producto las características necesarias para su almacenamiento, transporte y utilización por los consumidores. Aunque la utilización de fertilizantes líquidos, se está incrementando en ciertos campos, la mayor parte de fertilizantes aparecerán en forma sólida.

Dicho nitrato amónico es altamente higroscópico y delicuescente, y sus gránulos se descomponen fácilmente en polvo, debido a esto es necesario protegerlo de la humedad y tratarlo para minimizar dichos inconvenientes. Se añaden al nitrato amónico aditivos con el fin de estabilizar el grano y mejorar sus propiedades de almacenamiento.

La solidificación del nitrato amónico busca la obtención de un tamaño de producto uniforme; resistente a la abrasión y a la rotura, no apelmazado, fácilmente manejable y almacenable y con buena absorción por la planta.

Se utilizan dos métodos o técnicas para la solidificación de fertilizantes:

• “Prilling” o prilado • Granulación

6.2.4.1 Prilling

6.2.4.1.1 Introducción El prilling se prefiere generalmente para grandes fábricas que producen más de , mientras que la granulación es adoptada por plantas con producciones menores (en torno a ). En el caso de los métodos ICI y Udhe se eligen variaciones del método prilling.

Se trata de la producción de un sólido en forma de grano por la solidificación de la solución concentrada de nitrato amónico (de 95 a 99% w de nitrato amónico) la cual se pulveriza en la parte superior de una torre de vaporización, enfriándose las gotas formadas mediante un flujo de aire en contracorriente. Actualmente esta técnica se encuentra en desuso en la producción de nitrato amónico, nitrato amónico cálcico granulado, y de otros fertilizantes como los ureicos y algunos fertilizantes complejos.

Cuando se compara esta técnica con otras técnicas de granulación, presenta las siguientes ventajas:

• El proceso y los equipos usados en esta técnica, son más sencillos, más baratos y su utilización es más simple. • El consumo de energía en el proceso es mucho menor, la cantidad de agua contenida en el producto es pequeña, por lo que no es necesario un proceso de secado final.

Igualmente presenta una serie de desventajas y restricciones, que son:

• Esta restringido para materiales que se producen en forma fundida o melazas, que contienen muy poca cantidad de agua. • Suelen usarse en plantas de media/alta capacidad puesto que el coste de la torre de “Prilling” es alto, y poco rentable, por lo tanto para plantas pequeñas. • Existe un límite superior de tamaño de partícula que puede ser producido en esta torre. • La presión de vapor ejercida por las sales fundidas, dará lugar a problemas de efluentes, debido a normas medioambientales más estrictas, de complicada resolución y que reducen las ventajas de este proceso en términos de requerimientos energéticos, de capital y de simplicidad.

6.2.4.1.2 Fases del proceso de Prilling El proceso de Prilling puede dividirse en una serie de pasos:

• Formación de las gotas de producto. • Cristalización de las gotas en la torre de Prilling. • Tamizado de las perlas de nitrato amónico. • Enfriado de las perlas de nitrato amónico.

6.2.4.1.2.1 Formación de las gotas de producto El primer paso consiste en la formación de pequeñas gotas de producto procedente del evaporador, existen dos mecanismos principales para la formación de dichas gotas:

• Formación directa de gotas líquidas, este primer mecanismo tiene lugar en atomizadores rotatorios que operan con bajos caudales de alimentación, a bajas velocidades se forman las gotas sobre la boquilla, debido a que la fuerza de la gravedad supera la tensión superficial del líquido. El tamaño del líquido vendrá determinado por la tensión superficial, densidad del líquido y por la geometría de las boquillas del atomizador.

Según va aumentando la velocidad, el efecto del momento, unido al de la propia viscosidad del líquido comienza a ser significativo, esto afectará sobre el tamaño de la gota, que será más pequeña que si se forma bajo condiciones estáticas y con bajas velocidades de flujo.

• Formación de un chorro de líquido que seguidamente producirá las gotas, se produce este mecanismo en le caso de que la velocidad del flujo se aumente de manera elevada, se producirá un chorro del producto, el cual al chocar se desintegrará en forma de gotas, este mecanismo fue estudiado por Rayleigh, quien mostró que para un líquido no viscoso que siguiera un régimen laminar, el diámetro de la gota formada al chocar un chorro sobre un orificio, es directamente proporcional al diámetro de dicho orificio.

Existen gran variedad de equipos diseñados para la producción de gotas de tamaño uniforme a partir de un fundido, la mayor parte de los equipos se basan en dos sistemas:

o Cubos rotatorios, donde la mezcla fundida se alimenta en el centro del cubo rotatorio perforado, el cual es impulsado por un motor que mediante una rotación variable puede provocar diferentes tamaños de gotas según las necesidades del proceso.

Muchas plantas tienen facilidad para cambiar rápidamente de cubo rotatorio para tareas de limpieza. Este equipo tiene numerosas ventajas:  Se produce una menor obturación de los agujeros por parte de la mezcla fundida.  El tamaño de las gotas puede variar, con lo que puede variar el de los gránulos correspondientes, por variación de la velocidad de rotación.  Se pueden obtener gran cantidad de producto a partir de un único sistema de spray. Estas ventajas se van a compensar con una mayor complejidad mecánica del equipo cuando se compara respecto a los orificios fijos.

La distancia recorrida por los gránulos formados a partir del centro de la torre de “Prilling” será función del tamaño de la gota y de la velocidad inicial del fundido, y ésta a su vez, según se explicó anteriormente, dependerán de la velocidad rotacional de la boquilla, de esto se deduce que la torre de “Prilling” funcionará con mejor rendimiento si las gotas son rociadas a distintas velocidades.

La forma cónica es la más utilizada en estos rociadores, para lograr una distribución de gotas uniforme a lo largo de la torre deben compensarse las variaciones de presión hidrostática y dinámica de los agujeros en la parte inferior y superior, mediante la variación de tamaño de los mismos.

o Orificios fijos, consistirá en la desintegración en gotas de un chorro de líquido emitido a baja velocidad a partir de un orificio pequeño, el radio de la gota formada, es ligeramente menor que el doble del tamaño del orificio, ésta relación ayudo al diseño básico de la mayor parte de los rociadores de orificios fijos. Existen nuevos diseños de boquillas, que aportan una distribución uniforme a lo largo de toda la sección de la torre, como taladrar una serie de orificios a lo largo de tuberías paralelas que transcurren a lo largo de la sección transversal de la torre o el uso de un gran número de boquillas distribuidas a lo largo de dicha torre.

En la actualidad el más reciente desarrollo ha sido el uso de una única boquilla de spray (single spray) situada en el centro de la torre, que da suficiente cobertura a toda la torre, aunque existe menos eficiencia en la producción puesto que se producen gránulos con menor similitud, aunque este problema es mínimo comparándolo a las ventajas de la simplicidad tanto en la construcción y operación que presenta esta técnica.

Comparados con los cubos rotatorios, el uso de una única boquilla tiene numerosas ventajas, como son su sencillez; bajo coste; alta fiabilidad, ausencia de componentes móviles, y por lo tanto de lubricantes, eliminándose el riesgo de contaminación del producto. Además trabajan con un diámetro de torre menor, siendo su diseño más sencillo.

La principal desventaja de estos sistemas es su poca adecuación para mezclas fundidas, debido a que el flujo a través de los agujeros es menor y éstos llegan a obturarse, además rascadores internos u otros dispositivos de limpieza no pueden ser instalados fácilmente sin eliminar la simplicidad de dicho sistema.

6.2.4.1.2.2 Cristalización de las gotas en la torre de Prilling El segundo paso en el proceso de Prilling será la cristalización de las gotitas en forma de gránulo, esto se produce gracias al enfriamiento producido por una corriente de aire.

La sección transversal de la torre requerida será esencialmente función de la cantidad de producto obtenido, la mínima sección deberá permitir necesariamente introducir suficiente aire a través de la torre para enfriar los gránulos de tal manera que no se produzcan retenciones en dicha torre.

La altura de la torre vendrá determinada por las necesidades de enfriar suficientemente los gránulos, el grado en el cual la gota cristalizará será función de su tamaño y dependerá de la altura mínima de la torre. Para un tamaño de producto dado, la altura de la torre dependerá de las necesidades de enfriamiento, que vendrán impuestas por las características del aire, tanto temperatura como velocidad.

Las antiguas torres de Prilling eran diseñadas de ladrillo, actualmente se han sustituido por materiales como acero, aluminio u hormigón armado y alcanzar los 70 m de altura y tener secciones circular o cuadrada.

6.2.4.1.2.3 Tamizado de las perlas de nitrato amónico El producto obtenido de la torre puede ser de tamaño diferente, por lo que a lo largo del proceso, existirán una serie de tamices que permitirán el paso de aquellos gránulos de tamaño predeterminado, recirculándose al neutralizador o al evaporador, como una solución aquellos que no se encuentren dentro de dicho intervalo.

Actualmente un buen diseño junto con una buena planificación de la operación, permite obtener el producto dentro de las especificaciones, sin necesidad de tamizar. En la práctica, siempre es deseable llevar a cabo este proceso, para evitar la presencia de terrones.

6.2.4.1.2.4 Enfriado de las perlas de nitrato amónico La temperatura del producto en la base de la torre, estará en torno a los 100 o 120º C, por lo que se hace necesario enfriar los mismos para su almacenamiento y transporte, estos gránulos pueden ser enfriados mediante técnicas diferentes, las más usadas son las siguientes: • Lechos fluidizados, los cuales son sencillos, baratos y aparte de los ventiladores no tienen componentes móviles. La principal desventaja es que el aire se descarga a baja temperatura y se necesitan grandes caudales de aire. • Enfriadores rotatorios, los cuales necesitan menos caudales de aire, pero presentan una mayor complejidad mecánica.

Se suelen utilizar cualquier tipo de enfriador, es recomendable que el aire utilizado se deshumedezca lo más posible, para evitar la adicción de humedad al producto final.


6.2.4.2 Granulación El proceso de granulación es un procedimiento más general que en el caso del prilling, se refiere a técnicas de acrección y aglomeración para hacer un fertilizante granulado.

La mayor parte de los fertilizantes con base nitrato amónico se producían por prilling, aunque en los últimos años ha ocurrido un crecimiento en el uso de la granulación para la solidificación del nitrato amónico cálcico, esto es debido a que los procesos de granulación presentan las siguientes ventajas:

• Sistemas de eliminación de contaminantes más sencillos, la gran cantidad de aire utilizado en la torre de prilling, requiere sistemas de lavado costosos para mantener las emisiones dentro de la legalidad vigente. • Permite un mayor rango de tamaño de producto, en el caso de la técnica de prilling el tamaño viene marcado por la altura de la torre, mientras que en la granulación podemos obtener un mayor intervalo de tamaños de gránulo, desde tamaños pequeños utilizados como “grado fertilizante” (entre 2.38 y 4.76 mm) a “grado silvicultura” (entre 4 y 11 mm). • Los gránulos de nitrato amónico normalmente tienen una mayor resistencia a la rotura, así como una mayor densidad y presentarán mejores propiedades físicas que los obtenidos por prilling.

En realidad muchas plantas que llevaban a cabo el proceso de prilling han sido reemplazadas por unidades de granulación, debido a los problemas medioambientales que provocan las torres de prilling, aunque el producto obtenido en éstas presente una calidad superior en dureza, tamaño y propiedades de almacenamiento que los productos granulados. El proceso de granulación consistirá en la producción de gránulos por contacto, mezcla y/o agitación del producto procedente del mezclador, en dispositivos especiales, seguido de una deshumidificación y enfriamiento del producto final.

Se suelen dividir los procesos de granulación en:

Procedimientos de alta recirculación Procedimientos con baja recirculación “Pugmill” o de doble eje “Pan” Tambores rotatorios Lecho fluidizado “Drum” o tambores granuladores Tabla 6.1: Esquema de los procesos de granulación .

La recirculación vendrá definida por la cantidad de material que vuelve al granulador (procedente de la zona de tamizado), en relación con la cantidad de producto que se ha producido. Un proceso se considerará de alta recirculación, cuando dicha relación está entre 1.5 a 2, mientras que en los procesos de baja, se encuentra en torno a 1.

Esta distinción viene determinada por la diferente concentración de nitrato amónico requerida en el proceso de granulación, así pues, los procesos con alta recirculación requieren menores concentraciones (en torno 94-97%) y los procesos de baja recirculación (concentraciones del orden de 98-99.5%). Existirán diferencias en las condiciones de operación de las dos rutas de granulación, que tendrán importantes consecuencias respecto a la seguridad, producción y mantenimiento del proceso, así pues:  Los procesos de alta recirculación, al trabajar con menores concentraciones, entonces las temperaturas son significativamente menores. Las temperaturas aumentarán el riesgo de descomposición del nitrato amónico. Una menor temperatura reducirá el grado de corrosión del fundido, reduciendo el coste de los equipos.  Los procesos con baja recirculación, finos y gránulos de gran tamaño producidos serán retornados al granulador, mientras que en los de alta recirculación, éstos tienen que ser disueltos en un tanque agitado, y posteriormente son enviados a la sección de evaporación para reducir su cantidad de agua, aumentando así el riesgo de introducir impurezas que contaminen la solución de nitrato amónico.

En los procesos de baja recirculación sin un deshumidificador, la cantidad de material que puede ser disuelta y retornada al proceso vendrá limitada por un balance de agua, esto puede ser un problema si existe demasiado material excedente o recirculado. Los procesos con alta recirculación están diseñados para soportar esas variaciones en la capacidad. Actualmente una planta moderna de granulación consta de las siguientes unidades:

• Lazo de granulación, es donde se forma el producto, a partir de nitrato amónico fundido, y si se requieren la adicción de aditivos. Los principales equipos contenidos en el lazo de granulación son el granulador, secador, filtros y equipos de transporte. • Tratamiento del producto, consistirá en refrigerar el grano hasta la temperatura requerida para su almacenamiento, normalmente el producto suele ser tratado con un agente antiapelmazante y ocasionalmente con un agente protector. • Tratamiento del aire utilizado, consistirá en un deshumidificador y un refrigerador y se utiliza para reducir la cantidad de amoniaco y polvo presente. Una combinación de ciclones y lavadores se usan para reducir dichas emisiones. Todos los vapores procedentes de la sección de concentración también serán tratados en “scrubbers”. • Tratamiento del agua. Todas las plantas granuladoras deben ser limpiadas periódicamente, debido a la higroscopicidad natural del nitrato amónico la forma más eficiente para su limpieza será la utilización de agua para la limpieza. La corriente efluente de manera discontinua puede ser descargada a una planta de tratamiento de agua residual. Una manera más eficiente será recoger el agua de lavado en un tanque y reintroducirlo en la unidad de granulación cuando se reanude el funcionamiento. En ocasiones, si los residuos líquidos contienen una elevada cantidad de nitrógeno, en forma de nitrato amónico, dichos residuos pueden utilizarse para fertilizar campos.

A continuación se expondrá brevemente algunos tipos de granuladores.

6.2.4.2.1 Granulador Pugmill Este granulador, implantado por Udhe, se trata de un equipo horizontal de mezclado y aglomerado. Su disposición es en U y posee dos artesas horizontales, que giran sobre ejes centrales y que poseen palas o raquetas mezcladoras a lo largo de su superficie como se puede ver en la Figura 7.3. Dichas palas van a arrastrar el nitrato amónico hacia delante y simultáneamente hacia el centro, logrando amasar y mezclar. En el caso de querer introducir aditivos, relleno o simplemente el material recirculado, éstos se añadirán en la parte posterior del granulador para asegurar una mezcla perfecta con la corriente líquida de nitrato amónico añadida.

Debido a la velocidad de las palas, los gránulos son fluidizados en la parte superior del granulador y la alimentación de nitrato amónico es distribuida sobre dicha corriente fluidizada. Dichos gránulos se van formando por aglomeración y adhesión de capas sucesivas, los gránulos húmedos y calientes salen del granulador a través de un vertedero hacia un tambor de secado, donde serán secados y enfriados mediante aire caliente. Posteriormente dichos gránulos pasarán por la sección de tamizado donde se separarán las fracciones granulométricas que interesen de manera comercial. Las fracciones por debajo de especificaciones se devuelven al granulador y los fragmentos de mayor tamaño son triturados antes de ser recirculados al granulador. La fracción dentro de especificaciones se enfría en un lecho fluidizado, mediante aire a una temperatura tal que permita el posterior almacenamiento del producto. El producto enfriado se pasa a una unidad de acondicionamiento donde se le aplican sustancias activas para mejorar el manejo y transporte. El aire residual del lecho fluidizado es usado para el secado del producto, lo cual reduce la cantidad de efluentes residuales que tienen que ser tratados y por lo tanto el consumo de energía. Dichos efluentes (polvos) son separados por los ciclones y recirculados al granulador como se puede ver en la Figura 6.4.


Figura 6.3: Granulador Pugmill de Udhe .

Este granulador presenta las siguientes ventajas:

• Rango amplio de productos pueden ser granulados, con un diferente contenido en nitrógeno, desde 22 a 33.5%. • Altamente tolerante con la adicción de materiales de relleno y aditivos, pudiéndose utilizar, dolomita, limosnita e incluso subproductos procedentes de una planta de nitrofosfato. • La adicción de aditivos para aumentar los niveles de azufre o determinados micronutrientes es sencilla, pudiendo añadirse directamente al granulador. • El proceso es inherentemente más seguro que otros granuladores pues opera a baja temperatura, la máxima temperatura alcanzada por el nitrato amónico será de 150 °C. • El nivel alto de reciclado permitirá un funcionamiento más estable de la planta y un mejor control de la misma. • El consumo de energía eléctrica es menor que en el caso del resto de granuladores. • La utilización de los gases para la deshumidificación reduce la cantidad de aire que tiene que tratarse en el lavado, reduciéndose así los costes de operación. • No existen emisiones líquidas durante la operación, todo el agua de lavado es recogida y procesada.


Figura 6.4: Esquema del sistema de granulación Pugmill de Udhe.


6.2.4.2.2 Granuladores sobre lecho sólido Este procedimiento fue desarrollado por TVA y Norsk Hydro (Noruega), consiste en un cilindro inclinado que puede tener los extremos abiertos o cerrados mediante anillos anulares de retención. La alimentación de la sal de nitrato amónico altamente enriquecida (en torno al 0.5% de agua), puede estar previamente humedecida en mezcladores para formar los núcleos de granulación y se vaporiza sobre un lecho sólido en movimiento. Al solidificar las partículas, los gránulos que agrandan se clasifican en la bandeja rotatoria pues cuando el tamaño es el deseado, los gránulos oscilan exteriormente. El tamaño del grano puede variar dependiendo de los parámetros de operación: • Diámetro de los gránulos para silvicultura mediante fertilización aérea, entre 7 y 11 mm, dicha utilización de abonos forestales es rara y limitada casi exclusivamente a Finlandia, Suecia y Canadá. • Diámetro de los gránulos para un abono normal, entre 4 y 6 mm.

El rasgo característico de este equipo será la elevada temperatura con la que el producto abandona el granulador, normalmente dicho cristalizador suele trabajar en torno a 25 °C por debajo del punto de cristalización del producto fundido. Este tipo de granulación es utilizada para pequeñas capacidades de producción, debido básicamente a razones de construcción, ya que dichos granuladores son de 6m de diámetro como máximo.


Figura 6.5: Proceso de granulación TVA, Norsk Hydro. a) Filtrador de polvo ; b) Tambor granulador ; c) ciclón ; d) Tambor de pulido; e) Triturador ; f) Refrigerador ; g) Tamiz.


6.2.4.2.3 Granuladores de disco inclinado El equipo consiste en un disco o cesta rotativo inclinado por uno de los lados. Los sólidos y los agentes humectantes se alimentarán continuamente. Sobre el disco se forma una capa con este material, cuyo espesor se controla mediante raquetas, que oscilan de forma mecánica. La superficie puede recubrirse con un metal expandido o con un recubrimiento abrasivo para conseguir un movimiento de partículas en ascenso y cascada. Este tipo de granulador, generalmente no trabaja con recirculación o generalmente es muy pequeña. La distribución de tamaños es pequeña en comparación con otro tipo de granuladores, debido a esto resultan claves la posición de la alimentación y de los rociadores para controlar el balance de los procesos de velocidad de granulación. A continuación se muestra el granulador de disco de forma esquemática:


Figura 6.6: Diagramas esquemáticos de un granulador de disco inclinado .

6.2.4.2.4 Granulador Pan horizontal El mezclador horizontal Pan, fue usado como una combinación de mezclador y granulador en los diseños iniciales de plantas granuladoras para fertilizantes. En la figura siguiente se representa de manera esquemática una máquina típica, de manera habitual tienen una longitud de 2.3 m y un diámetro de 0.5 m para contener una carga de material de entre 0.5 y 0.9 tm. La rotación del granulador y las palas mezcladoras que se mueven en direcciones opuestas crean un constante estado de agitación y con la adicción de agentes aglutinantes se forman aglomerados. En fertilizantes, un tiempo de mezclado de 2 o 3 min, es adecuado junto con un sistema de recirculación automático para producciones entre 11 y 15 , aunque son posibles alcanzar las 30 .

Figura 6.7: Diagrama de un granulador Pan de fertilizantes .

6.2.4.2.5 Granulador de lecho fluidizado En estos granuladores, desarrollados por Udhe (granuladores HFT o Hidro Fertilizer Technology) las partículas se mantienen en movimiento mediante aire en vez de por agitación mecánica como en los casos anteriores. Los granuladores fluidizados producirán tanto gránulos de alta porosidad, debido a la aglomeración del polvo alimentado o gránulos de elevada resistencia formados en capas debido al recubrimiento con ligandos de las partículas sedimentadas o los gránulos formados. Se trata básicamente de una cámara rectangular la cual está separada por bables en distintos compartimentos, cada uno de ellos se encuentra recorrido por una corriente de aire frío.

Figura 6.8: Esquema de un granulador fluidizado de nitrato amónico

El aire se introducirá por la parte inferior, provocando la fluidización de los sólidos, dicho aire procedente del granulador pasará a un lavador para eliminar la cantidad de contaminantes presentes. Dicho granulador además consta de una unidad de tratamiento de aire donde las partículas serán retenidas y recirculadas al sistema. Los sólidos de relleno, aditivos y recirculados, se alimentan al primer compartimento del granulador donde el nitrato amónico es rociado sobre el lecho, en su trayecto a lo largo del granulador se irán añadiendo capas de sólidos. El ligante líquido se rocía mediante atomizadores localizados en la parte superior, en el interior o por debajo del lecho.

Figura 6.9: Granulador de lecho fluidizado.

Las ventajas que va a presentar este tipo de granuladores son las siguientes:

• Elevada intensidad volumétrica. • Simultaneidad del secado y la granulación. • Velocidad elevada de transferencia de calor y materia. • Robustez respecto de las variables de operación que afectan la calidad del producto.

Mientras que las desventajas que presentara son: • Alto coste de operación debido fundamentalmente al tratamiento de aire y del polvo. • Desfluidización potencial debido al crecimiento incontrolado.

6.2.4.2.6 Proceso de reciclaje de una sal Este proceso fue desarrollado por BASF en 1928 para la granulación de una sal de nitrato amónico cálcico, pero se puede aplicar también para el reciclaje de una sal de nitrato amónico. Produce gránulos con un diámetro entre 2 y 4 mm. El proceso se puede modificar poniendo un tambor después del tornillo a paletas, mejorando la granulación y efectuando un secado o enfriamiento en lecho fluidizado.


Figura 6.10: Proceso de reciclaje de una sal. a) Tornillo de granulación ; b) Tambor de secado ; c) Tambor de enfriamiento ; d) Tamiz ; e) Pretratamiento


6.2.5 Descripción de algunos procesos de fabricación ,

6.2.5.1 Proceso Uhde Se aplica este método en más de 40 fábricas de Estados Unidos y Europa, pues tiene por objetivo garantizar una fiabilidad y seguridad máxima. En los reactores Krupp Uhde se produce el nitrato amónico a presiones normales y a bajas temperaturas de reacción, en dichos reactores circula una solución de nitrato amónico recirculada, de tal manera que el calor de reacción se almacena en la solución y puede ser utilizado posteriormente. Las temperaturas se mantienen constantemente en límites que garantizan la seguridad y limiten la corrosión a niveles aceptables.

Figura 6.11: Neutralizador y evaporador proceso Udhe.

Este método implica gastos de inversión limitados, pues solamente el reactor es ligeramente presurizado para evitar que la solución de nitrato amónico llegue a su punto de ebullición, dicha medida evita prácticamente todas las pérdidas de amoniaco. A la salida del reactor la solución de nitrato amónico se alimenta a un evaporador flash donde una parte del agua se evapora al vacío, con los vapores del mismo se precalienta el ácido nítrico que si posee concentraciones alrededor de 58% podría generar concentraciones de nitrato amónico hasta un 95% en peso. Para facilitar el control y garantizar condiciones de seguridad se limita la concentración de la solución hasta un 92% w.

La concentración necesaria para llevar a cabo procesos posteriores como granulación o prilling se obtiene por una reconcentración al vació de la solución y siendo calentada por vapor de agua. Los vapores de éste método se emplean para el precalentamiento de la alimentación y el excedente se condensa, sin embargo, el calor se utiliza más eficientemente que si la reacción se realizara bajo presión. Otras características del método, es que usualmente se recircula un 30% de la solución que sale del reactor y que genera pocas contaminaciones de efluentes líquidos y casi ningún efluente gaseoso.

6.2.5.2 Proceso UCB En este método un intercambiador de calor en el reactor, que se encuentra presurizado, utiliza parte del calor de reacción para producir vapor de proceso. El amoniaco y la disolución entre 52 y 63% de nitrato amónico se precalientan mediante los vapores producidos en el neutralizador. La presión en el neutralizador es de aproximadamente 4.5bar, la temperatura entre 170 y 180 °C y el pH entre 3 y 5. El pH se mantiene en este rango, mediante el control de las cantidades relativas de ambos reactivos. El intercambiador de calor enfría la mezcla de reacción, con lo cual se consigue un gran rendimiento en la neutralización. La solución de nitrato amónico que abandona el reactor es concentrada hasta aproximadamente el 95% w mediante un evaporador de película.

Figura 6.12: Proceso UCB. a) Reactor ; b) Purificador/Separador ; c) Evaporador de película.

El calor de reacción genera: • Vapor de proceso procedente del agua que contenía el ácido nítrico y que se utiliza para precalentar la alimentación de agua, ácido nítrico y para operar en el evaporador. • Vapor puro a una presión de 5.5 bar en el intercambiador de calor, este se puede utilizar en otras aplicaciones. El pH, comprendido entre 3 y 5, reduce las pérdidas de nitrógeno hacia el vapor de proceso. Las condiciones de operación están ajustadas para que el exceso de vapor de proceso no se acumule.

6.2.5.3 Proceso Stamicarbon Se trata de otro proceso bajo presión, el neutralizador es un reactor tubular en bucles (loop reactor) que descarga a un separador, gracias al calor de reacción la solución circula sin necesidad de bombas.


Figura 6.13: Proceso Stamicarbon. a) Reactor ; b) Tanque ; c) Condensador del excedente de vapor ; d) Purificador de amoniaco ; e) Condensador ; f) Tanque de disolución diluida de amoniaco ; g) Tanque de condensado ; h) Refrigerante ; i) Evaporador ; k) Separador ; l) prensa hidráulica ; m) tanque de disolución producto 95% w.

El ácido nítrico con una concentración del 60% w, el amoniaco y una pequeña cantidad de ácido sulfúrico se introducen en la parte baja del reactor que opera a 4bar y 178 °C. La solución de nitrato amónico formada en el reactor tiene una concentración del 78%. El vapor eliminado por la parte alta del separador se pasa a través de un ciclón eliminador de nieblas y se usa principalmente para concentrar la disolución de nitrato amónico hasta el 95% en un evaporador al vacío. El exceso de vapor se condensa y el amoniaco recuperado del condensado se recicla al reactor. En un segundo evaporador, la concentración puede llegar a alcanzar concentraciones del 98 o 99.5% w usando vapor fresco. En todo momento la temperatura de la solución de nitrato amónico se mantiene por debajo de los 180 °C.

6.2.5.4 Proceso NSM / Norsk Hidro Pressure Process Tanto amoniaco como el ácido nítrico son precalentados. Las condiciones del reactor son de 4.5 bar de presión y entre 170 y 180º C de temperatura, con ellas se pueden obtener disoluciones de nitrato amónico de 70 a 80% w. La circulación forzada y el efecto del gradiente de temperaturas en las diferencias de densidad del agua hacen circular la solución a través del reactor. Parte del calor de reacción es usado para generar vapor puro en un hervidor exterior, parte evapora agua del reactor produciendo vapor de proceso, el cual se usa para concentrar el nitrato amónico hasta un 95% w.


Figura 6.14: Proceso NSM / Norsk Hydro Pressure. a) Evaporador de amoniaco ; b) Precalentador de ácido nítrico ; c) Caldera ; d) Reactor ; e) Reactor – Separador ; f) Purificador , g) Evaporador flash ; h) Evaporador ; i) Separador ; k) Condensador ; l) Purga ; m) Tanque.

Las pérdidas de amoniaco son pequeñas gracias al lavado de los vapores del proceso con ácido nítrico y su posterior adicción a la disolución producto circulante. La concentración final del nitrato amónico de 99.5% w se obtiene finalmente en un evaporador al vacío.


6.2.5.5 Proceso Stengel Este proceso es ampliamente utilizado en EE.UU. y produce de manera directa nitrato amónico anhidro de concentraciones mayores a 90 %w y sin necesidad de evaporador. Dicho método dispone de varias ventajas como economizar mediante el precalentamiento del amoniaco y ácido nítrico y el uso de menos equipamiento pero su mayor desventaja es su falta de seguridad. El amoniaco y el ácido nítrico con una concentración del 58%, son precalentados con vapor y alimentados continuamente a un reactor tubular vertical que trabaja a 3.5 bar y una temperatura de reacción que oscila entre 200 y 240 °C. Esta mezcla de nitrato amónico y vapor se expande en un separador centrífugo a vacío obteniendo finalmente concentraciones de 99.8% de nitrato amónico fundido, el cual se descargará a una cinta de bandas refrigerada para su solidificación y posterior granulación.

6.2.5.6 Proceso AZF Atofina Este proceso de neutralización es desarrollado, en particular en la planta de AZF en Toulouse (Francia), es sensiblemente idéntico a los restantes métodos. El tiempo de residencia de la solución en el reactor es escaso, no excediendo del minuto y medio. La solución de nitrato amónico y los vapores producidos en el separador están a 3bar, dicha presión se disminuye con ayuda de una válvula automática en un intercambiador de temperatura que trabaja a vacío.

Figura 6.15: Proceso AZF Atofina. 1) Acondicionamiento amoniaco; 2) Precalentamiento ácido nítrico ; 3) Controlador pH ; 4) Reactor , 5) Separador ; 6) Concentrador ; 7) Separador a vacío ; 8) Trompa para vacío ; 9) Recipiente de nitrato amónico 96% w; 10) Bomba para la 2ª concentración.

El calor es aportado por la reacción de disolución del amoniaco y con el calor de neutralización de las dos materias primas. El vacío se provoca mediante eyectores que funcionan con agua, esta agua trabaja en circuito cerrado pues su expulsión a la naturaleza pues su vertido podría ser contaminante. Los condensados del vapor contaminado, condensan en el intercambiador evaporador y son reciclados hasta la alimentación de ácido nítrico donde servirán para la absorción de los óxidos nitrosos. Una parte del vapor generado por la neutralización sirve para calentar y reconcentrar la disolución de nitrato amónico, llegando a alcanzar 96% w. Esta disolución se divide en dos, una parte va a la concentración final antes del prilling y la segunda se dedica al engorde de los gránulos.

6.2.5.7 Proceso Fauser Este método es pionero en la utilización completa del calor de reacción del amoniaco y el ácido nítrico y es de gran importancia fuera de los Estados Unidos. La etapa de neutralización se realiza a una presión mayor de la atmosférica, con el fin de evitar las pérdidas de materia. El ácido nítrico y el amoniaco se introducen en el neutralizador de manera continua, el cual contiene un licor neutralizado con el objetivo de obtener una liberación continua de calor en la reacción. El proceso Fauser dispone de dos cilindros concéntricos: el interno a presión, donde ser realiza la neutralización, y el externo a presión atmosférica, que sirve para la evaporación de la solución obtenida en el interno.

La presión del neutralizador es considerablemente mayor que la presión de vapor de la solución de nitrato amónico. Los reactivos entran por la parte baja y por cabezas se descarga continuamente la solución caliente de nitrato amónico. El calor de la neutralización y la descarga que se hace efectiva sobre un recipiente a presión atmosférica, originan la ebullición y por tanto la concentración de la misma. El vapor generado, se utilizará para precalentar los reactivos.


6.3 Aditivos añadidos en la etapa de granulación El nitrato amónico, como se dijo en el Anejo 3, puede presentarse en varias modificaciones cristalinas distintas, según la temperatura. Las transiciones desde una modificación cristalina a otra y, especialmente, la transición aproximadamente a 32°C de la modificación III a la modificación IV y viceversa van acompañadas por efectos de contracción y de dilatación de los cristales, por lo que se generan esfuerzos en la estructura cristalina. Cuando los gránulos de nitrato amónico pasan varias veces, alternadamente y en cualquier dirección, el límite de aproximadamente 32 °C, el resultado de los esfuerzos que se presentan es que los gránulos se hacen menos porosos, se hinchan, pierden su resistencia al aplastamiento y al final se desintegran formando polvo. Los gránulos de nitrato amónico fabricados tienen que tener buena redondez y una superficie cerrada y lisa, alta densidad, alta resistencia al aplastamiento, alta resistencia a la formación de finos con los choques y a la formación del polvo volante que se origina del frotado mútuo y un tamaño de grano ajustable, dichos gránulos han de permanecer libremente fluyentes incluso con el almacenaje prolongado, serán resistentes a las fluctuaciones repetidas de temperaturas entre -20 y 60°C, sin que por ello se debiliten, se hinchen o se desintegren para formar polvo que, por ello, permitan su almacenaje en sacos cerrados al aire libre, sin pérdida de calidad.

Con el fin de obtener gránulos de mejor estabilidad se añade a la masa fundida de nitrato amónico estabilizantes, que retrasan o impiden específicamente la recristalización. Pueden usarse varios estabilizantes, tales como nitrato potásico, sulfato de aluminio y nitrato magnésico, una mezcla de ácido bórico o una sal de metal alcalino o amónica del mismo con fosfato monoamónico o diamónico y sulfato diamónico y arcillas que contienen silicatos de aluminio, de magnesio y/o de calcio en estado finamente dividido . Una desventaja del uso de los anteriores compuestos para la producción de gránulos estabilizados de nitrato amónico es que requieren una masa fundida substancialmente anhidra, pues para lograr una estabilidad máxima, los gránulos deben tener una porosidad mínima. A medida que la masa fundida de nitrato amónico utilizada para la producción de gránulos contiene más agua, debe evaporarse más agua de los gránulos formados por grajeado o granulación, de modo que en los gránulos quedan más poros y canales. Según un estudio , se prepararon disoluciones de nitrato amónico al 95% en peso que contenían respectivamente sulfato de aluminio, bentonita, polifosfato amónico (AP) y una mezcla de ácido bórico, fosfato diamónico (DAP) y sulfato diamónico. Dichas disoluciones resultantes se rociaron a una temperatura de 150 °C y a un caudal de 200 durante un periodo de trabajo de 1 hora, después de lo cual se sacó el producto del lecho, se enfrió inmediatamente a 80 °C con aire externo en un enfriador de lecho fluido y después se tamizó. Posteriormente los gránulos fueron sometidos a ciclos de calentamiento y enfriamiento entre 25 y 50 °C obteniendo los siguientes resultados: % w 95 95 95 95 95 95 Estabilizante ninguno 1.95%w 1.5%w 2%w de bentonita 1%w AP 0.15% w + 0.2% w DAP + 0.1% w Humedad, %w 0.13 0.30 0.65 0.21 0.20 0.34 pH, disolución 10% w 6.2 6.0 4.9 6.2 5.2 5.2 Resistencia al aplastamiento, N 32.4 38.2 50.0 29.4 55.9 45.1 Densidad 1.55 1.63 1.54 1.54 1.52 1.54 Retención de aceite, % 1.0 1.0 0.5 1.0 0.9 0.8 Retención de aceite tras 5 ciclos, % 6.1 1.0 5.8 9.8 6.7 5.2 Hinchamiento, % Después 3 ciclos 18 0 11 18 11 11 Después 5 ciclos 40 0 26 36 38 26 Después 10 ciclos 65 2 46 60 53 46 Estabilidad ninguna buena ninguna ninguna ninguna ninguna Tabla 6.2: Comparación entre los distintos aditivos del nitrato amónico.

En la anterior tabla vemos la conveniencia de utilizar nitrato magnésico frente al resto de aditivos mencionados en el anterior estudio. A partir de bibliografía se ha determinado que se obtienen las mismas propiedades estabilizantes al añadir óxido de magnesio (MgO) a la corriente de nitrato amónico líquida (con una concentración comprendida entre 85 y 98% en peso de nitrato amónico).



6.4 Bibliografía

6.4.1 Libros digitales • Wolfgang Pietsch, “Size Enlargement by Agglomeration”. Editorial John Wiley & Sons, 1991. 541 págs. C. A. Capes, « Particle Size Enlargement », editorial Elsevier, 1980. Ottawa, Canada. 205 págs. • Fritz Ullmann, “Ullmann´s Encyclopedia Of Industrial Chemistry”. 6ª edición, 2002. Edición CD-Rom. • Kirk-Othmer “Encyclopedia of Chemical Technology”. 4ª edición, 1990. Editorial Dialog OnDisc Books 3.21. Edición CD-Rom.

6.4.2 Revistas • J. L. López - Niño, J. A. Zurbano y J. Olivares, “Fabricación de nitrato amónico en reactor tubular”. Revista Ingeniería Química, Editorial Alción. Febrero 1990. • S. Valkov, “AN, CAN fluid drum granulation”. Revista Nitrogen and Methanol, año 2000. Vol 247. Páginas 53-57. Reino Unido.

6.4.3 Direcciones de internet • Página de EFMA (European Fertilizer Manufacturers Association, dirección web: [http://www.efma.org/Publications/BAT%202000/Bat05/section01.asp • Página de Udhe GMBH, dirección web: [1]. Último acceso 2 de mayo de 2006]. Último acceso 2 de mayo de 2006. • Página de la Oficina Europea de Patentes y Marcas, dirección web: [2], patentes consultadas: Patente US3317276 Patente US3379496 Patente ES489170 Patente ES489170 “Procedimiento de preparar gránulos estabilizados que contienen nitrato amónico”. Compagnie Néerlandaise de L´Azote. Fecha 15 de marzo de 1979.

Manejo y almacenamiento Editar sección

-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 Editar sección

-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 Editar sección

  • 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.

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