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• Luis Velarde Deza

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PRODUCCIÓN DE ANFO A PARTIR DE NITRATO DE AMONIO GRADO TÉCNICO (FERTILIZANTE) I. OBJETIVOS:  Disminuir la densidad del Nitrato de amonio grado técnico o agrícola, disminuyendo la densidad de este, hasta lograr que sea similar a la del nitrato de amonio grado ANFO, con el fin de lograr una mejor absorción de un hidrocarburo Diésel.  Lograr la producción de ANFO (Amonium Nitrate Fuel Oil) de muy bajo costo en comparación al ANFO industrial. Utilizando Nitrato de Amonio fertilizante como materia prima y como disolvente una solución de nitrito de sodio.

II. INTRODUCCIÓN: La producción de ANFO (Amonium Nitrate Fuel Oil) que se describe a continuación se realiza, utilizando como materia Nitrato de Amonio Grado Técnico, que se puede adquirir fácilmente en cualquier establecimiento dedicado a la compra-venta de productos fertilizantes (AGROPECUARIAS). Su comercialización es libre en nuestro mercado Nacional y de bajo costo. Ya que su principal uso y el más conocido es el de fertilizante foliar de hortalizas, verduras, frutales y otros arbustos. Para lograr aumentar la porosidad de los prills (gránulos) de este producto, y en consecuencia reducir su densidad se usará un agente de gasificación denominado Nitrito de Sodio. El cual actúa en cada partícula (prill), liberando hidrógeno gaseoso al Medio Ambiente (atmósfera). Este producto químico se puede conseguir en cualquier lugar donde se expendan productos químicos con el nombre antes

mencionado. Es de relativamente bajo costo y su venta no es restringida por ninguna Norma Legal; lo que lo convierte en un producto de fácil adquisición. III. INSUMOS Y PRODUCTOS QUÍMICOS UTILIZADOS: Para la elaboración de este proyecto de investigación se usaran los siguientes insumos y productos químicos. A) NITRATO DE AMONIO:

Figura N°1.- Nitrato de amonio (prills) El nitrato de amonio es una sal inorgánica formada por la unión del anión nitrato y el catión amonio. Cuya fórmula química es:

NH4NO3

C. AMONIO

A. NITRATO

Figura N°2.-Formula química del nitrato de amonio.

A.1) OBTENCIÓN DEL NITRATO DE AMONIO: El nitrato de amonio se puede obtener mediante neutralización de ácido nítrico con amoníaco, según la siguiente reacción:

Esta reacción es exotérmica e instantánea. El calor producido en la reacción depende de la concentración de ácido nítrico usado y del nitrato de amonio, mayores concentraciones de los reactivos producirán más calor de reacción. Este calor generado se puede aprovechar para evaporar el agua de la solución. Una parte el nitrato de amonio producido es transformado a óxido nitroso, mediante la aplicación de calor.

Esta reacción debe ser muy controlada, es exotérmica y puede ser explosiva si se aporta calor demasiado rápidamente o si se realiza en un contenedor hermético.

A.2) USOS DEL NITRATO DE AMONIO: a) USO AGRÍCOLA (GRADO TÉCNICO) El nitrato de amonio es un fertilizante popular, ya que proporciona la mitad del N en forma de nitrato y la otra mitad en forma de amonio. La forma nitrato se mueve fácilmente con el agua del suelo hacia las raíces, donde está inmediatamente disponible para su toma por la planta. La fracción de amonio es absorbida por las raíces ó es convertida gradualmente en nitrato por los microorganismos del suelo. Muchos productores de verduras prefieren una fuente de nitratos inmediatamente disponibles para la nutrición vegetal y utilizan nitrato de amonio. Es popular para la fertilización de pasturas y verdeos, ya que es menos susceptible a las pérdidas por volatilización que los fertilizantes a base de urea cuando se aplica sobre la

superficie del suelo. El nitrato de amonio es comúnmente mezclado con otros fertilizantes, pero estas mezclas no se pueden almacenar por largos períodos debido a una tendencia a absorber la humedad del aire. La alta solubilidad de nitrato de amonio hace que sea muy adecuado para preparar soluciones para fertirrigación o aspersiones foliares.

1) CARÁCTERÍSTICAS OBSERVABLES:  Es un sólido blanco o incoloro.  Es higroscópico, esto significa que tiene gran afinidad por el agua, absorbiendo el vapor de agua ambiental.  En forma de pequeños perdigones, esferitas, gránulos o prills porosos de tamaños no tan uniformes menores a 3 milímetros.  Presentación comercial: Envasado en bolsas de polietileno herméticas, con 50 kg de peso.

2) PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS:  Fórmula química: NH4NO3  Peso molecular: 80.04 gr/mol.  Contenido de N: 33 a 34%  Solubilidad en agua (20 ºC): 1900 g/L (altamente soluble).  Materia combustible: menor a 0,2 %, lo que hace que no sea explosivo por sí solo.  Estado: sólido blanquecino.  Densidad en estado masivo (No prills) 1.72 g/cc

 Densidad aparente a granel 0.85-0.9 g/cc, cuando se encuentra en prills.  pH: 4,5 a 6 (en solución acuosa)  T° de auto ignición: Mayor a 210 °C.  T° de descomposición: 169 °C.  Volatilización: estable en T° ambiental. Pero se diluye al absorber humedad del ambiente.

b) USO COMO EXPLOSIVO (GRADO ANFO): El nitrato de amonio en combinación con un derivado del petróleo, da lugar a un explosivo llamado ANFO (ammonium nitrate fuel oil), que ha sido usado en ataques terroristas, por ejemplo el atentado a la AMIA en Argentina en el año 1994, entre otros. El ANFO también es usado por empresas mineras artesanales y mineros informales para voladura, dado que es un explosivo muy barato al combinarlo con petróleo o algún derivado, fácil de conseguir y bastante seguro. Es intencionalmente semi-poroso para permitir una rápida absorción de fuel-oil. La proporción de nitrato de amonio y el derivado del petróleo es variable, pero por lo general está en el entorno de 90 a 97 % de nitrato de amonio y 3 a 10% de keroseno, gasolina u otro derivado.

 NITRATO DE AMONIO GRADO ANFO: El nitrado de amonio grado ANFO se caracteriza por ser de baja densidad y alta porosidad para permitir una alta absorción de petróleo u otro de sus derivados (FUEL OIL). Esto permite una adecuada iniciación en taladros de moderado diámetro y el desarrollo de su máxima energía. Es muy adecuado sobre todo en las voladuras a cielo abierto por su baja producción de gases contaminantes como el CO2 y gases nitrosos.

Figura N°3.- NITRATO DE AMONIO GRADO ANFO. (FAMESA)

El Nitrato de amonio grado ANFO se usa en la fabricación de agentes de voladura a granel, de bajo costo; tanto en minería subterránea, superficial y obras civiles.

1) CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS:

PUREZA HUMEDAD PH (SOLUCIÓN DEL 10%) DENSIDAD APARENTE ABSORCIÓN DE PETRÓLEO GRANULOMETRÍA (DIAM. 1-3 mm) Punto de fusión °C solubilidad en 100 g de agua a 20°C, gr PH, Sol. Acuosa al 10%, unidades de PH PESO MOLECULAR

N. A. GRADO ANFO 98.5 % MIN 0.3 % MAX 4.5 MIN 0.72-0.75 g/cm3 8 % MIN 90 % 170 192 5-5.5 80.04

2) PROPIEDADES QUÍMICAS: Favorece la combustión de materiales orgánicos aun en presencia de oxígeno. Es inestable en condiciones de alta temperatura y alta presión (en confinamiento).

Se descompone a elevadas temperaturas y bajo un impacto violento en extremo. Actúa como agente oxidante en muchas reacciones a temperatura ambiente. En soluciones acuosas es reducido por varios metales. La temperatura de detonación de mezclas de nitrato de amonio es de aproximadamente 270-350 °C.

3) PRESENTACIÓN COMERCIAL: En bolsas de polipropileno con bolsa interior de polietileno con un contenido de 50 kg. También disponibles en el mercado en BIG BAGS con un contenido neto de 1000 Kg. Su transporte se realiza desde el distribuidor a la empresa compradora mediante resguardo policial, lo que hace que su adquisición sea restringida solo a empresas de voladura autorizadas.

4) PREPARACIÓN DE LA MEZCLA EXPLOSIVA: Se recomienda una mezcla balanceada con una relación de 94.5% de nitrato de amonio grado ANFO y un 5.5% de un hidrocarburo combustible (diésel). Para aplicaciones en voladuras en minas subterráneas. Es importante dejar reposar esta mezcla unas 24 horas antes de ser cargada, para lograr la máxima absorción del hidrocarburo. Esto permite un adecuado balance de oxígeno y aporta mayor sensibilidad y evita la excesiva formación de gases nitrosos y CO 2 después de la detonación. La velocidad de detonación VOD alcanza valores por encima de los 3000 m/seg. La iniciación se puede hacer con explosivos tipo emulsión o primarios tipo nitroglicerina de alto impulso y velocidad, conjuntamente con un cordón y estopín eléctrico.

B) NITRITO DE SODIO NaNO2

B.1) CARACTERÍSTICAS:

   

color: amarillo pálido. Densidad 2168 kg/cm3; 2.168 g/cm3. Masa molar 68.9953 g/mol Punto de fusión: 271 °C

B.2) PROPIEDADES: El nitrito de sodio se presenta como un polvo blanco cristalino soluble en agua. Se trata de un compuesto no combustible, pero a altas temperaturas (1000 °C) puede producir reacciones en cascada con efluvios violentos de oxígeno. Actúa como un agente oxidante fuerte en ambientes húmedos. El nitrito de sodio posee una fuerte propiedad bacteriostática impidiendo el crecimiento de bacterias esporógenas como la clostridium botulinum (provoca el botulismo). Algunas bacterias de la flora intestinal puede producir nitritos al ingerir ciertos alimentos que contienen nitratos, como, por ejemplo: la remolacha, las espinacas, o el apio. La fórmula es estable cuando se combina con dióxido de amoniaco

B.3) PRINCIPALES USOS:

El nitrito sódico se emplea principalmente como conservante alimenticio así como fijador del color de los derivados cárnicos. Suele emplearse en combinación con otras sales, en las denominadas sales de curado: nitritos y nitratos de sodio y de potasio(E249). Su empleo evita la intoxicación bacteriana, en especial botulismo. Estas sales son empleadas en las operaciones desalazón de carnes (como el caso de jamón y cecinas) y pescados. Otra de las funciones del uso de nitritos en la industria cárnica es la de mejorar alguna de las propiedades organolépticas (sabor y color). Las carnes tratadas con nitrito sódico poseen en crudo una coloración roja-púrpura a resultas de la reacción química entre el nitrito y la mioglobina existente en el músculo que produce la nitrosomioglobina. Al cocer (o asar) la carne este color torna a un rosado característico debido a la reacción del nitrosomioglobina en nitrosomiocromo. El efecto sobre el olor de los alimentos tratados con nitritos se produce debido a reacciones del mismo con algunos compuestos volátiles formando fórmulas nitrogenadas. De la misma forma se encuentra el nitrito sódico en la fabricación y síntesis de tintes azoicos. Este empleo se realiza debido a la propiedad que posee de convertir las aminas en compuestos diazo. Es empleado igualmente en la industria química (del caucho) en la síntesis de diversas substancias orgánicas, e inorgánicas como en la preparación de óxido nítrico. Es empleado como reactivo en química analítica, en ocasiones como reactivo fotográfico. El nitrito sódico actúa como anticorrosivo de armaduras de hormigón siendo sumergido en disolución de cloruros y sulfatos. En medicina se emplea en ciertas ocasiones como fármaco en formato de inyectables, capaz de modificar la hemoglobina de un paciente en los casos que sean requeridos. Es empleado a veces comovasodilatador y en tratamientos de intoxicación cianhídrica (al igual que el tiosulfato sódico).

B.4) PREPARACIÓN: El fundamento químico es una reacción de reducción-oxidación en el que el nitrato se reduce a nitrito con un reductor fuerte como puede ser el plomo. En una cápsula de hierro se coloca nitrato sódico y se calienta hasta la temperatura de fusión. A esta temperatura agregar poco a poco raspaduras de plomo. Se continúa calentando hasta que todo el plomo haya sido oxidado y se deja enfriar. El producto obtenido se lava con agua caliente, se filtra, y se vuelve a lavar con agua caliente. Se reúnen los líquidos filtrados, por los que se pasan una corriente de CO2 para precipitar el plomo que no haya reaccionado. Se filtra de nuevo y se

G

neutraliza con ácido nítrico. La disolución final se deja cristalizar. Los cristales obtenidos se lavan con alcohol.

III. REDUCCIÓN DE LA DENSIDAD DEL NITRATO DE AMONIO: GMAX

A. REACCIÓN DE GASIFICACIÓN: Este estudio se enfoca en la sensibilización de la mezcla mediante la generación de burbujas de aire por la adición de un agente gasificante, siendo en este caso el nitrito de sodio (NaNO 2). Esta sustancia química reacciona con el nitrato de amonio(NH4NO3), generando pequeñas burbujas de gas nitrógeno. A continuación, se muestra la reacción química que ocurre.

Na(NO)2 + NH4(NO3) Na(NO)3 + 2H2O

N2 +

T [min]

t0 > 0 Nitrato de Amonio

NH4(NO3)

Nitrógeno gaseoso

+

N2

Nitrito de sodio La reacción es de tipo química, donde además se pueden determinar las siguientes fases.

Na(NO)2

Na(NO)2 + NH4(NO3) Gas Liquido Na(NO) 2H 3 + Solido 2O Nitrógen (Nitrito de sodio)

Nitrato de amonio

o gaseoso

N2 + Solido Nitrato de sodio

Liquid o Agua

La reacción química es extermica por la presencia de nitrogeno en la solución, tanto de nitrito de sodio, y en mayor cantidad de nitrto de amonio. El producto gaseoso N2 (Nitrogeno molecular) se obtiene mediante el proceso denominado gasificación. Es un gas incoloro que por su menor densidad haciende.

Este gas tiene un olor fétido a grandes concentraciones, sin embargo en la reacción no se puede percivir a grandes rasgos, pues la cantidad de gas es minima, ambientalmente este gas no produce ningún tipo de alteración pues el nitrogeno es parte del aire de nuestro planeta en una cantidad del 78%.

La reacción de gasificación termina cuando el gas deja de liberarse a la atmosfera. Esto ocurre aproximadamente a los 5 minutos de entar en contacto las dos sustancias reactantes PRODUCTOS: NITRATO DE AMONIO POROSO (PARTE NO REACTANTE): 

La solución de Nitrito de Sodio actúa en la superficie de los prills de Nitrato de Amonio. Esta ocasiona dos efectos en los prills.



Que las grietas y poros existentes en la superficie de cada prill de Nitrato aumenten su tamaño. Estos poros y grietas se denominan como PRE EXISTENTES.



Se abren nuevos poros desde la superficie hacia el interior de cada prill. Se denominan como POST REACCION. Estos poros y grietas PRE EXISTENTES y asi como los POST REACCION sirven para aumentar la porosidad de cada prill, y en general de toda la muestra de reacción.



IMAGEN

NITRATO DE SODIO (Na(NO)3) EN SOLUCION ACUOSA (FASE REACTANTE) Este producto se obtiene como una sal blanquecina que queda en el fondo del depósito donde se lleva a cabo la reacción. Para fines del presente proyecto este producto no será estudiado. Esta sal, inicialmente acuosa es secada y a medida que el agua se evapora, esta sal precipita al fondo del depósito.

B. DETERMINACIÓN DE LA COCENTRACIÓN DE LA SOLUCIÓN DE NITRITO DE SODIO (Na(NO)2): Experimentalmente y basado en la observación de resultados se tuvo por conveniente realizar diferentes ensayos que consistían En preparar soluciones de Nitrito de Sodio de diferentes concentraciones:    

10% 20% 30% Etc.

Con la finalidad de determinar si a mayor concentración de la solución de Nitrito de Sodio los resultados de gasificación eran mayores, o si su influencia era mínima. De esta forma se podría determinar la concentración (% en peso) en solución acuosa más favorable para la preparación de nitrato de amonio poroso.

B.1) PREPARACIÓN DEL NITRITO DE SODIO: Pasos y recomendaciones que se debe seguir para la preparación de Nitrito de Sodio a cualquier concentración: 

Agregar una determinada cantidad de Nitrito de Sodio granulado (sólido) en agua destilada.



La cantidad de Nitrito de Sodio a agregar y la cantidad de agua destilada a utilizar como disolvente dependen de la concentración a la que se desee obtener la solución acuosa final de Nitrito de Sodio. Agitar mecánicamente la solución preparada por un instante hasta que se disuelva toda la fase sólida.





Al final se obtiene una solución en fase homogénea de color ligeramente amarillenta, la cual se torna más oscura de acuerdo al grado de concentración de la solución.



Durante el proceso de esta disolución química se observa que la temperatura del sistema solvente-soluto disminuye por debajo de la temperatura ambiente, esto por el contenido de Nitrógeno (N) en el Nitrito de Sodio.

a) NITRITO DE SODIO. AL 10% p/p:  

100 ml de agua destilada (equivalentes a 100 gr, asumiendo como densidad del agua 1 g/cm3). 10 gramos de Nitrito de Sodio sólido.

Mezclar y agitar hasta obtener una solución homogénea con las condiciones antes mencionadas.  RESULTADOS: Al agregar la solución de Nitrito de Sodio al Nitrato de Amonio se observó que: 

La baja concentración de la solución ocasionaba que la reacción de gasificación sea lenta y poco duradera. El contenido de Nitrito de Sodio en la solución es mínima por lo que se agota rápidamente, y no genera la cantidad de poros necesarios ni de la dimensión esperada (casi imperceptibles).



Luego de transcurridos 4 minutos (en los cuales se lleva a cabo el proceso de gasificación). El nitrato de amonio continúa diluyéndose, sin ninguna evidencia de gasificación.

b. NITRITO DE SODIO. AL 20% p/p:  

100 ml de agua destilada (equivalentes a 100 gr, asumiendo como densidad del agua 1 g/cm3). 20 gramos de Nitrito de Sodio sólido.

Mezclar y agitar hasta obtener una solución homogénea con las condiciones antes mencionadas.  RESULTADOS:

Al agregar la solución de Nitrito de Sodio al Nitrato de Amonio se observó que: 

La baja concentración de la solución aún es muy baja y ocasiona que la reacción de gasificación sea un poco más rápida pero poco duradera. Los resultados de la gasificación son muy poco observables.



Luego de transcurridos 4 minutos (en los cuales se lleva a cabo el proceso de gasificación) el agua presente en la solución continúa diluyendo el Nitrato de Amonio.

c. NITRITO DE SODIO. AL 50% p/p: 

100 ml de agua destilada (equivalentes a 100 gr, asumiendo como densidad del agua 1 g/cm3).



50 gramos de Nitrito de Sodio sólido.

Mezclar y agitar hasta obtener una solución homogénea con las condiciones antes mencionadas.  RESULTADOS: Al agregar la solución de Nitrito de Sodio al Nitrato de Amonio se observó que: 

La relativamente alta concentración de la solución ocasiona que la reacción de gasificación sea más rápida y dura alrededor de 4 minutos. La gasificación forma burbujas que son de mayor dimensión y abundancia que en los casos anteriores.



Luego de transcurridos 4 minutos (en los cuales se lleva a cabo el proceso de gasificación) el agua presente en la solución continúa diluyendo el Nitrato de Amonio.

A partir de una concentración mayor al 60% en Nitrito de Sodio empieza a sedimentar, pues ya sobrepasó los valores de solubilidad como se observa en la siguiente figura:

Figura: Sedimentación de Nitrito de Sodio en el fondo del depósito por sobresaturación de la solución.

B.3) PREPACIÓN DE 250 gr DE NITRATO DE NITRATO DE AMONIO: Pesar 250 gramos de Nitrato de Amonio y depositarlo en una fuente de manera tal que

Procedimiento: 1. Pesar 1 kg de Nitrato de Amonio (NH4(NO)3)

2. Preparar la solución de nitrito de sodio (Na(NO) 2) al 50%

3. Verter el NH4(NO)3 en un recipiente, y esparcirlo de manera uniforme en toda la superficie del recipiente.

4. Rociar la solución de Na(NO)2 en todo el NH4(NO)3 del recipiente, según la siguiente proporción: 1ml  100 gr 50 ml  1000 gr

5. Remover la mezcla hasta que sea uniforme (todos los prills de NH 4(NO)3 estén en contacto con la solución de Na(NO)2 ).

6. Dejar reaccionar por 2 minutos 7. Remover nuevamente la mezcla para lograr un mejor resultado en todo el NH4(NO)3. 8. Nuevamente dejar reaccionar por 3 minutos más.

9. Secar la mezcla con aire caliente (suministrado por una secadora de cabello) por 5 minutos a una temperatura aproximada de 40°C.