ES3030589A1 - Procedimiento para la obtencion de un fertilizante nitrogenado - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la obtención de un fertilizante nitrogenado. Procedimiento de obtención de fertilizantes nitrogenados, concretamente ácido nítrico o nitratos en forma líquida, a partir de nitrógeno y ozono. De manera más concreta, en primer lugar, se obtiene ozono a partir de oxígeno y este ozono se burbujea en agua y en presencia de nitrógeno para obtener ácido nítrico. El procedimiento puede llevarse a cabo in situ en las propias explotaciones agrícolas.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la obtención de un fertilizante nitrogenado

La presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de un fertilizante nitrogenado, concretamente ácido nítrico o sus nitratos, a partir del nitrógeno del aire. El área a la que corresponde la actividad es la del sector químico, concretamente en la de fertilizantes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La producción de fertilizantes nitrogenados es un proceso importante en la industria agrícola, ya que los fertilizantes nitrogenados proporcionan el nutriente esencial del nitrógeno a las plantas para su crecimiento.

La producción de fertilizantes nitrogenados, y concretamente el nitrato o ácido nítrico, empieza con el proceso denominado Haber-Bosch. En este proceso, el nitrógeno del aire se combina con el hidrógeno obtenido principalmente a partir del gas natural para formar amoníaco (NH3). El amoníaco puede ser utilizado directamente como fertilizante o puede ser convertido en otros productos nitrogenados, como los nitratos.

El ácido nítrico (HNO<3>) es un compuesto químico importante que se utiliza en diversos sectores industriales, como la producción de fertilizantes, explosivos, productos químicos y productos farmacéuticos. Su fabricación a nivel industrial generalmente se lleva a cabo mediante el proceso de oxidación catalítica de amoníaco (NH<3>) en presencia de aire y un catalizador.

A continuación, se describe el proceso típico de fabricación de ácido nítrico:

1. Oxidación del amoníaco: El proceso comienza con la oxidación del amoníaco gaseoso. El amoníaco y el aire se introducen en un reactor donde se encuentran con un catalizador, que suele ser una malla de platino o una mezcla de platino y rodio. La reacción catalítica convierte el amoníaco en óxido nítrico (NO) y agua (H<2>O). La ecuación química es:

4 NH<3>+ 5 O<2>→ 4 NO 6 H<2>O

2. Oxidación del óxido nítrico: El óxido nítrico (NO) obtenido en la etapa anterior se combina con oxígeno adicional para formar dióxido de nitrógeno (NO<2>). Esta reacción se lleva a cabo en un segundo reactor o en una sección adicional del mismo reactor. La ecuación química es:

2 NO O<2>→ 2 NO<2>

3. Absorción del dióxido de nitrógeno: El dióxido de nitrógeno (NO<2>) generado en la etapa anterior se hace reaccionar con agua (H<2>O) para formar ácido nítrico (HNO<3>). Esta reacción ocurre en un absorbedor, que es típicamente una torre de absorción o columna rellena con placas o materiales que aumentan el contacto entre el gas y el líquido. La ecuación química es:

3 NO<2>+ H<2>O → 2 HNO<3>+ NO

4. Purificación del ácido nítrico: El ácido nítrico producido en la etapa anterior contiene impurezas, como ácido nitroso y ácido nitroso-nítrico. Para obtener ácido nítrico puro, se realiza un proceso de destilación o purificación. El ácido nítrico se somete a destilación fraccionada para separar las impurezas y obtener un producto final de alta pureza.

Es importante mencionar que el proceso de fabricación de ácido nítrico debe llevarse a cabo siguiendo rigurosas normas de seguridad y manejo de sustancias químicas peligrosas. Además, es necesario tener un sistema de control y monitoreo continuo para garantizar una producción eficiente y segura del ácido nítrico.

Procedimientos para la producción de ácido nítrico se han encontrado también en el documento de patente US4141715 que, aunque también utiliza el aire como fuente de nitrógeno, la producción de moléculas oxidadas de nitrógeno se realiza por vía gaseosa con un arco eléctrico produciendo dióxido de nitrógeno, el cual es solubilizado en agua para producir el ácido nítrico.

Otro documento que divulga un método de obtención de ácido nítrico es US5985230, que utiliza el amonio como fuente de nitrógeno, el cual es oxidado con oxígeno.

La presente invención propone un nuevo método de obtención de fertilizantes nitrogenados a partir del nitrógeno del aire y que puede ser realizado in situ en las propias explotaciones agrícolas para uso local.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Los inventores de la presente invención han desarrollado un procedimiento industrial de obtención de fertilizantes nitrogenados, concretamente ácido nítrico o nitratos en forma líquida, a partir de nitrógeno atmosférico y ozono.

Luego, en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un fertilizante nitrogenado que comprende ácido nítrico, donde dicho procedimiento comprende las siguientes etapas:

a) obtención de ozono (O<3>) a partir de oxígeno (O<2>) o de una fuente de oxígeno, b) burbujeo del ozono obtenido en la etapa a) en agua a temperatura ambiente (18-25°C) y en presencia de N<2>o una fuente de nitrógeno para obtener ácido nítrico.

La base del proceso de la invención radica en una reacción química en agua, donde el nitrógeno elemental es convertido en ácido nítrico por el ozono.

El ozono no reacciona directamente con el nitrógeno elemental (N<2>). Sin embargo, en presencia de agua, el ozono puede formar radicales hidroxilo fOH). Estos radicales hidroxilo reaccionan con el nitrógeno elemental disuelto en el agua para formar especies nitrogenadas como ácido nítrico/nitratos (NO<3>") (se forma ácido nítrico que se disocia en el medio de reacción a nitratos).

La secuencia de reacciones sería la siguiente:

Formación de radicales hidroxilo fOH):

O<3>+ H<2>O -> 2-OH

Reacción de los radicales hidroxilo con el nitrógeno elemental:

•OH N<2>-> HNO<2>

HNO<2>+ •OH -> HNO<3>

En estas reacciones, los radicales hidroxilos generados a partir del ozono reaccionan primero con el nitrógeno elemental para formar ácido nitroso (HNO<2>). La siguiente reacción, el ácido nitroso puede reaccionar nuevamente con los radicales hidroxilos para formar ácido nítrico (HNO<3>).

En una realización preferida, la obtención de ozono de la etapa a) se lleva a cabo con sistemas convencionales, consistentes en una máquina productora de ozono (ozonizador) que adquiere el aire atmosférico a través de una bomba, el cual es conducido a través de una lámpara generadora de ozono que, a través de una descarga eléctrica convierte el oxígeno en ozono, la energía que utilizada es electricidad. La energía eléctrica es la que sustenta este proceso, siendo el mayor coste en la producción de estos fertilizantes. No obstante, éste se reducirá de una forma casi total, utilizando energía eléctrica producida "in situ” de forma renovable. Preferiblemente, la energía eléctrica utilizada para la obtención de ozono es energía fotovoltaica, preferiblemente obtenida "in situ” .

En una realización preferida, se utiliza aire atmosférico como fuente de oxígeno para obtener ozono.

En otra realización preferida, se utiliza oxígeno puro.

Respecto al medio de reacción que es el agua, preferentemente es osmotizada, también se puede utilizar agua no osmotizada (agua potable).

En la presente invención, se entiende por agua osmotizada al agua desionizada que que presenta una conductividad inferior a 5 micro Siemens/ cm.

En una realización preferida, se utiliza aire atmosférico en la etapa b) como fuente de nitrógeno.

En una realización preferida, se utiliza aire atmosférico como fuente de oxígeno en la etapa a) y el aire ozonizado obtenido en dicha etapa se utiliza como fuente de nitrógeno de la etapa b).

En una realización preferida, la etapa b) se lleva a cabo a 20°C.

En una realización preferida, la etapa b) se lleva a cabo bajo agitación.

En una realización preferida, en la etapa b) se burbujea ozono en agua hasta llegar a una concentración de saturación del ozono de entre 30 y 50 mgL-1 más preferiblemente, de 40 mgL-1 a la temperatura a la que se lleva a cabo la etapa b).

En una realización preferida, la etapa b) es un proceso de generación continúa y lineal de nitratos, la producción está entre 40-100 miligramos Nitrato/litro/hora, la parada del proceso se realizará a voluntad de los operadores.

En una realización preferida, la etapa b) se lleva a cabo durante un tiempo de al menos 24 h.

El ácido nítrico obtenido puede ser purificado con sistemas estándar conocidos en el estado de la técnica, puede ser concentrado con sistemas de osmosis inversa o puede ser utilizado directamente (es decir, puede ser utilizada la solución acuosa del mismo obtenida en la etapa b) sin previa purificación ni concentrado.

Entre los métodos convencionales de purificación, bien conocidos para el experto en la materia, están los siguientes:

Intercambio iónico: Utiliza resinas de intercambio iónico para intercambiar iones de nitrato por iones de cloruro u otros iones menos perjudiciales. Las resinas se regeneran periódicamente con soluciones salinas concentradas.

Ósmosis inversa: la ósmosis inversa utiliza una membrana semipermeable para concentrar los nitratos.

En una realización preferida, después de la etapa b), el ozono gaseoso no disuelto en el agua y que no ha reaccionado es conducido a una trampa en la salida del reactor para su destrucción, de manera que se libera aire u oxígeno limpio a la atmósfera.

Preferiblemente, la trampa es una columna de carbón activo.

Para llevar a cabo el procedimiento de la invención se requiere un sistema que consiste en un ozonizador configurado para transformar oxígeno (puro, impuro o proveniente del aire atmosférico) en ozono, un reactor configurado para recibir el ozono formado en el ozonizador y donde se dispondrá el agua de reacción. Este reactor puede incluir una entrada de nitrógeno en caso de que no se utilice aire atmosférico en la etapa a) y dispondrá, preferiblemente, de sistema de control de temperatura.

De manera preferida, el sistema para llevar a cabo el procedimiento de la invención comprenderá un equipo de destrucción (trampa) de ozono una vez que la reacción haya tenido lugar.

Preferiblemente, el sistema incluye una bomba para introducir el oxígeno o la fuente de oxígeno en el ozonizador.

El proceso de la presente invención facilita la producción de formas nitrogenadas fertilizantes, uno de los grandes costes y cuello de botella en la productividad agrícola.

Esta tecnología puede ser implementada a gran escala, siendo la base de una gran instalación de producción de ácido nítrico, o bien a pequeña escala, con una instalación local del sistema de producción "in situ” en las explotaciones agrícolas, en el punto directo de consumo de los fertilizantes nitrogenados.

Por otra parte, la unión de este proceso a energía renovable va a permitir obtener nitratos sin huella de carbono y a un bajo coste, con la posibilidad de ser producido "in situ” por parte de las explotaciones agrícolas.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Fig. 1: esquema del sistema empleado para llevar a cabo el procedimiento de la presente invención. Las referencias tienen los siguientes significados: (1) ozonizador; (2) reactor con agitación, sistema control de temperatura; (3) trampa de destrucción de ozono; (4) bomba impulsora; (5) sonda para medida de control de temperatura, 6) Planta fotovoltaica.

EJEMPLOS

A continuación, se ilustrará la invención mediante un ejemplo concreto del procedimiento de la invención.

Ejemplo 1: Producción de ácido nítrico con el procedimiento de la invención.

Para la producción de ácido nítrico se utilizó aire atmosférico como fuente de nitrógeno, que cuenta con una concentración sobre el 70% en volumen de Nitrógeno elemental. El aire atmosférico fue aspirado con una bomba con un flujo de 60 Lmin-1 y fue introducido en un generador de Ozono. En este ejemplo se utilizó un sistema comercial (Depurnova DNPro10), concretamente con lámpara dieléctrica mediante la cual se consigue una alta tensión alterna y variaciones de frecuencia que causan la ionización por impulsos del oxígeno generando ozono con una producción de 8 mgh-1.

Este aire atmosférico ozonificado es burbujeado dentro del reactor de agua osmotizada donde se produce la reacción de oxidación del nitrógeno ambiental hasta nitratos (Se produce nítrico, pero se disocia en nitratos en la solución acuosa).

El proceso se realizó en un reactor termostatizado teniendo en este ejemplo una capacidad de 5 litros con sistemas de control de agitación y temperatura, el medio de reacción es agua osmotizada. El reactor era una vasija de vidrio, pero puede estar fabricado con cualquier elemento inerte al ozono como vidrio, acero, etc.

La temperatura de reacción de oxidación en ambiente acuoso del Nitrógeno elemental a ácido Nítrico se llevó a cabo a 20°C y 500 rpm de agitación, inyectando ozono mediante pulsos hasta llegar a una concentración de saturación en agua (40 mgL-1), la cual se mantuvo constante con el tiempo.

El aire ozonificado que se burbujeó en el agua se hace pasar por una trampa de destrucción de ozono consistente en una columna o cartucho de carbón activo, liberando aire limpio a la atmosfera.

La producción de nitratos es acumulativa, alcanzándose una ratio de hasta 2 gramos/litro/día, siendo la concentración de nítrico tiempo dependiente.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de obtención de un fertilizante nitrogenado que comprende ácido nítrico, donde el procedimiento comprende las siguientes etapas:

a) obtener ozono a partir de oxígeno o de una fuente de oxígeno,

b) burbujear del ozono obtenido en la etapa a) en agua a temperatura ambiente y en presencia de nitrógeno o una fuente de nitrógeno para obtener ácido nítrico.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, donde la etapa a) se lleva a cabo mediante el uso de un ozonizador.

3. Procedimiento, según la reivindicación 2, donde la energía eléctrica utilizada por el ozonizador es energía fotovoltaica.

4. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la fuente de oxígeno de la etapa a) es aire atmosférico.

5. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la fuente de nitrógeno de la etapa b) es aire atmosférico.

6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la fuente de oxígeno en la etapa a) es aire atmosférico y la fuente de nitrógeno de la etapa b) es aire ozonizado obtenido en la etapa a).

7. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la etapa b) se lleva a cabo a 20°C.

8. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde en la etapa b) se burbujea ozono en agua hasta llegar a una concentración de saturación en agua de entre 30 y 50 mgL-1.

9. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la etapa b) se lleva a cabo durante un tiempo de al menos 24 h.

10. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde después de la etapa b), el ozono gaseoso no disuelto en el agua y que no ha reaccionado es conducido a una trampa para su destrucción.

11. Procedimiento, según la reivindicación anterior 10, donde la trampa para la destrucción del ozono es una columna de carbón activo.

12. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el ácido nítrico obtenido se purifica, se concentra, o bien, se utiliza directamente la solución acuosa del mismo obtenida en la etapa b).

13. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde este procedimiento se lleva a caboin situen el propio lugar donde se va a utilizar el fertilizante que comprende el ácido nítrico obtenido.