L’industria dei fertilizzanti converte le materie prime in tre tipi principali di fertilizzanti: azoto (ammoniaca), fosforo e potassio. Queste diverse applicazioni richiedono processi chimici con un controllo preciso e un monitoraggio accurato di temperatura, pressione, livello e portata.
Si prevede che la popolazione globale raggiungerà i 10,9 miliardi entro la fine di questo secolo. Questa pressione spinge i coltivatori ad aumentare la resa dei raccolti, che è un approccio più ecologico alla produzione di cibo rispetto alla deforestazione. Se a questo aggiungiamo la domanda di biocarburanti, molti dei quali attualmente provengono dalle coltivazioni, è evidente che il bisogno di fertilizzanti chimici è più grande che mai.
Ogni anno, l’industria dei fertilizzanti trasforma milioni di tonnellate di materie prime (aria, gas naturale e minerali estratti) in prodotti che forniscono alle piante tre nutrienti essenziali: azoto, fosforo e potassio.
Le tre principali classi di fertilizzanti
- Fertilizzanti a base di nitrato
I fertilizzanti azotati, il gruppo più grande e importante, richiedono diversi passaggi per essere prodotti. Le materie prime sono l’azoto dell’aria e l’idrogeno del gas naturale/metano (CH4). Quando vengono mescolati ad alta temperatura e pressione, il prodotto risultante è l’ammoniaca (NH3). Questo prodotto intermedio viene ossidato per produrre acido nitrico (HNO3), che dà come risultato i fertilizzanti minerali di nitrato di ammonio (NA) e, se mescolato con CO2, l’urea. Un terzo tipo di fertilizzante a base di azoto è la soluzione di urea e nitrato ammonico (UAN), ottenuto mescolando NA, urea e acqua. - Fertilizzanti a base di fosforo
Questo gruppo di fertilizzanti proviene dalla roccia di fosfato, un minerale estratto. Quando il concentrato di fosfato è trattato con acido solforico (H2SO4), si trasforma in superfosfato semplice (SSP) o in acido fosforico. Questo acido viene mescolato con l’ammoniaca per produrre fosfato monoammonico (MAP) o fosfato diammonico (DAP). Il fertilizzante superfosfato triplo (TSP) può essere fatto concentrando l’acido fosforico o concentrando ulteriormente il fosfato. - Fertilizzanti a base di potassio
Anche questo fertilizzante deriva da un minerale estratto: la roccia potassica, un amalgama di carbonato di potassio e sali di potassio. Il processo di fabbricazione dei fertilizzanti a base di potassio comincia con la concentrazione della potassa e il suo trattamento per ottenere una soluzione di cloruro di potassio. Da questa soluzione si ottiene il muriato di potassio (MOP), il nitrato di potassio (KN) se mescolato con acido nitrico, e il solfato di potassio (SOP) se mescolato con acido solforico.
Le sfide del processo nell’industria dei fertilizzanti
Nel corso dei vari processi, la produzione di fertilizzanti richiede il controllo preciso e il monitoraggio accurato di temperature e pressioni elevate, così come il livello e portata di materie prime e catalizzatori. Inoltre, poiché i fertilizzanti e i catalizzatori sono caustici, gli strumenti di misura devono essere in grado di resistere a fluidi di processo e condizioni difficili.
Ogni processo ha le sue sfide specifiche. Al centro della produzione di fertilizzanti c’è la richiesta di sicurezza, affidabilità ed efficienza.
Fertilizzanti a base di azoto: processo di syngas e ammoniaca a partire dal gas naturale
Le sfide della produzione di ammoniaca
La maggior parte dei produttori di ammoniaca oggi utilizza il processo Haber-Bosch, che richiede pressioni estremamente elevate, temperature moderatamente alte e catalizzatori per provocare una reazione chimica. Una delle maggiori sfide è trovare il giusto equilibrio tra pressione e temperatura per aumentare la cinetica della reazione dell’azoto e dell’idrogeno fino all’obiettivo di conversione dell’ammoniaca.
Un metodo sempre più popolare per ottenere l’ammoniaca, a causa della sua natura rinnovabile, è il trattamento elettrochimico tramite elettrolisi. A seconda del tipo di elettrolita utilizzato, questo processo comporta anche condizioni di temperatura e pressione medio-alte per la conversione dell’ammoniaca.
Le sfide della produzione di acido fosforico
L’acido fosforico è prodotto con due processi. Il processo “a umido” produce un acido di purezza inferiore. Tuttavia, questo acido più debole è comunemente usato come fertilizzante senza richiedere un’ulteriore lavorazione o una reazione termica per produrre un acido di maggiore purezza.
Nel processo a umido, l’acido solforico concentrato viene aggiunto alla roccia di fosfato in una serie di reattori sottoposti a vigorosa agitazione, seguito dalla filtrazione per separare i sottoprodotti. Infine, l’evaporazione aumenta la concentrazione di acido fosforico per produrre un fertilizzante di qualità commerciale. Una delle maggiori sfide del processo a umido è la natura altamente corrosiva dell’acido solforico usato nella reazione.
Un altro metodo di produzione dell’acido fosforico è il processo termico. Il fosforo viene bruciato in aria a temperature che vanno da 1.500 °C a 2.700 °C circa, seguito da idratazione diretta tramite vapore per ottenere acido fosforico con una concentrazione di circa l’85%. I fosfati, sali dell’acido fosforico, possono essere ulteriormente lavorati in combinazione con l’ammoniaca per ottenere diversi composti fertilizzanti. Una delle maggiori sfide del processo termico sono le condizioni estremamente corrosive che si creano durante la produzione.
Le sfide della produzione del cloruro di potassio
I fertilizzanti a basso di potassa si ottengono dal minerale estratto. In primo luogo, i minerali di potassio sono iniettati con acqua calda per creare la salamoia usata come materia prima. La fase successiva del processo è una fase di evaporazione con un termocompressore, seguita da una serie di cristallizzazioni a temperature e pressioni progressivamente più basse per recuperare il cloruro di potassio, il prodotto intermedio chiave. Una delle maggiori sfide nella produzione di KCl è quella di mantenere accurati profili di pressione e temperatura per l’efficienza del sistema. Anche la portata d’acqua è un parametro importante da controllare, in quanto assicura la purezza del prodotto e la granulometria.
I produttori di fertilizzanti stanno aumentando gli sforzi per migliorare le prestazioni al fine di diventare un’industria più sicura, più affidabile e più rispettosa dell’ambiente. Questo obiettivo sarà raggiunto solo con una strumentazione innovativa e ad alte prestazioni per il controllo dei processi.
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