Luego de mucho batallar ya encontramos la solución de esta traba que ciertos lectores de este espacio presentan. Si tienes algo más que compartir no dejes de aportar tu información.
Solución:
Solución 1:
Se sabe que el nitrato de amonio se descompone exotérmicamente cuando se calienta para formar óxido nitroso y agua. Este papel1 observa que la descomposición irreversible del nitrato de amonio se produce en el rango de temperatura de $ pu 230-260 ^ circ C $.
$$ ce NH4NO3 ->[t >230 ^circ C] N2O + 2H2O $$
También señalaron además que más allá $ pu 280 ^ circ C $, $ ce NH4NO3 $ es capaz de descomposición rápida y autoacelerada (hasta el punto de detonación).
Pero a la temperatura de detonación, $ mathrm t_d $ (la temperatura a la que detonan los compuestos), el nitrato de amonio se descompone completamente en nitrógeno, oxígeno y agua, liberando una enorme cantidad de energía.
$$ ce 2NH4NO3 ->[t_d] 2N2 + O2 + 4H2O $$
En el contexto de la explosión de Beirut, la pregunta que surgió fue “¿cuándo alcanzó el nitrato de amonio la temperatura de detonación y por qué explotó repentinamente?”. Según un informe de noticias de cnet.com:
Cuando se calienta a más de 170 grados Fahrenheit, el nitrato de amonio comienza a descomponerse. Pero con un calentamiento o detonación rápidos, puede ocurrir una reacción química que convierte nitrato de amonio a nitrógeno y oxígeno gaseoso y vapor de agua. Los productos de la reacción son inofensivos, se encuentran en nuestra atmósfera. pero el proceso libera enormes cantidades de energía.[…]
Además, en la explosión, no todo el nitrato de amonio se agota y explota. Parte de ella se descompone lentamente creando gases tóxicos como óxidos de nitrógeno. Son estos gases los responsables de la columna de humo rojo-marrón. visto después de la explosión de Beirut, dijo Rae.
Entonces, mi teoría es que el nitrato de amonio comenzó a calentarse (por el fuego) liberando todo tipo de óxidos de nitrógeno (los humos rojos). Este fuego aceleró aún más la reacción, calentando aún más el nitrato de amonio restante hasta el punto de detonación y fue entonces cuando el nitrato de amonio explotó instantáneamente liberando una enorme cantidad de energía que envía ondas de choque alrededor del sitio junto con una nube blanca en forma de hongo (del comentario de @ DDuck) que probablemente podrían ser vapores de nitrógeno y / o agua donde el aire húmedo (aire cargado de vapor de agua) se condensó debido a la explosión (@StianYttervik) con liberación de nitrógeno. Es un incidente triste y bastante devastador.
Referencias
- Sobre la descomposición térmica del nitrato de amonio. Temperaturas de reacción en estado estacionario y tasa de reacción Por George Feick y RM Hainer, 1954 (PDF)
- Tasas de reacción del nitrato de amonio en la detonación Melvin A. Cook, Earle B. Mayfield y William S. Partridge The Journal of Physical Chemistry 1955 59 (8), 675-680 DOI: 10.1021 / j150530a002 (PDF)
- https://en.wikipedia.org/wiki/2020_Beirut_explosions
Solucion 2:
Nitrato de amonio ($ ce NH4NO3 $) es ampliamente utilizado en la industria de fertilizantes y es una de las formas más concentradas de fertilizante nitrogenado (35% de $ ce N $). Al mismo tiempo, también se ha utilizado ampliamente como material explosivo para detonación en minas. Debido a su explosividad, $ ce NH4NO3 $ está asociado con varios peligros, incluidos incendios y explosiones, que han ocurrido repetidamente en el pasado (más de 70 incidentes durante el siglo XX, más de la mitad de ellos ocurrieron en suelo estadounidense). A pesar de todo, $ ce NH4NO3 $ no se considera un material inflamable o combustible a temperatura y presión ambiente (Ref.1). Sin embargo, es un agente oxidante fuerte que puede detonar bajo ciertas condiciones como temperatura, fuego, confinamiento y presencia de impurezas (p. Ej., $ ce KCl $), que puede actuar como promotor para detonar (Ref.2).
Para usar como reactivo explosivo o de voladura, $ ce NH4NO3 $ se mezcla con fuel oil, que se denomina fuel-oil de nitrato de amonio (ANFO; Ref.1). Según Ref.2, durante la explosión, tendría lugar la siguiente reacción exotérmica (el hidrocarburo está representado por $ ce CH2 $):
$$ ce 3NH4NO3 + CH2 -> 3N2 + 7 H2O + CO2 quad Delta H = pu -4017 kJ / kg tag1 $$
Curiosamente, esto se puede comparar con TNT, cuyo calor de combustión es $ Delta H = pu -4196 kJ / kg $. Sin fuel oil, puede detonarse en determinadas condiciones. Se cree que la vaporización de fundido $ ce NH4NO3 $ conduce a la formación de amoníaco y ácido nítrico, lo que podría iniciar la descomposición de $ ce NH4NO3 $ a través de la siguiente reacción:
$$ ce NH4NO3 <=> HNO3 + NH3 quad Delta H = pu 176 kJ / mol tag2 $$
A temperaturas más altas (es decir, entre $ pu 170 ^ circ C $ y $ pu 280 ^ circ C $) reacciones exotérmicas irreversibles (ecuaciones $ (3) – (5) $) ocurrir:
$$ ce NH4NO3 -> N2O + 2H2O quad Delta H = pu -59 kJ / mol tag3 $$$$ ce NH4NO3 -> 1 / 2N2 + NO + 2H2O quad Delta H = pu -2597 kJ / mol tag4 $$$$ ce NH4NO3 -> 3 / 4N2 + 1 / 2NO2 + 2H2O quad Delta H = pu -944 kJ / mol tag5 $$
Si el material se calienta repentinamente, habrá descomposiciones explosivas como se muestra en las ecuaciones. $ (6) $ y $ (7) $):
$$ ce 2NH4NO3 -> 2N2 + O2 + 4H2O quad Delta H = pu -1057 kJ / mol tag6 $$$$ ce 8NH4NO3 -> 5N2 + 4NO + 2NO2 + 16H2O quad Delta H = pu -600 kJ / mol tag7 $$
Tenga en cuenta que todas estas reacciones a excepción de $ (2) $ son exotérmicos. Además, la mayoría de los productos son gases. Adjunto un archivo PDF si es Ref.2 si un lector está interesado en cómo ocurren las explosiones en las condiciones adecuadas (de lo contrario, es un campo amplio para explicar). Por ejemplo, la reacción $ (3) $ puede hacerse más exotérmico ($ pu 789 kJ / mol $) con productos más gaseosos, si se añade algún combustible oxidable como $ ce C $ (Ref.3):
$$ ce 2NH4NO3 (s) + C (s) -> 2N2 (g) + CO2 (g) + 4H2O (g) tag8 $$
Es evidente por los incidentes pasados que involucraron $ ce NH4NO3 $ que la presencia de impurezas y las condiciones ambientales tienen un efecto enorme en la detonación de $ ce NH4NO3 $ durante el almacenamiento. Por ejemplo, uno de los incidentes industriales más mortíferos en la historia de los Estados Unidos ocurrió el 16 de abril de 1947 en la ciudad de Texas, Texas, donde un $ ce NH4NO3 $ explosión que involucra $ pu 2300 toneladas $ de $ ce NH4NO3 $ causó 581 muertos y miles de heridos. El incendio fue causado por la explosión inicial de $ ce NH4NO3 $ en un barco, lo que resultó en posteriores reacciones en cadena de incendios y explosiones en otros barcos e instalaciones cercanas. El explotó $ ce NH4NO3 $ se cubrió con cera (a base de carbono) para evitar el apelmazamiento (ver ecuación $ (8) $ encima). Después de este accidente, las nuevas tecnologías y prácticas seguras introducidas en la década de 1950 eliminaron el uso de revestimientos de cera (Ref.2).
Referencias:
- Guy Marlair, Marie-Astrid Kordek, “Problemas de seguridad relacionados con el almacenamiento de baja capacidad de fertilizantes basados en AN”, Diario de materiales peligrosos2005, 123 (1-3), 13-28 (https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.03.028).
- Zhe Han, “Estudios de estabilidad térmica del nitrato de amonio”, Doctor. Disertación, Universidad de Texas A&M, TX, 2016 (PDF).
- Alex M. Djerdjev, Pramith Priyananda, Jeff Gore, James K. Beattie, Chiara Neto, Brian S. Hawkett, “El mecanismo de la detonación espontánea del nitrato de amonio en suelos reactivos”, Revista de Ingeniería Química Ambiental2018, 6 (1), 281-288 (https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.12.003).
Solución 3:
Primero, el nitrato de amonio es una especie de mezcla entre un oxidante, la parte de nitrato, y un reductor, el de amonio. Este es el núcleo de tu pregunta.
Sin embargo, la descomposición directa mencionada correctamente en las respuestas es un proceso en el que algo se oxida y algo se reduce.
Básicamente, en el nitrato de amonio tiene todo lo que necesita: el “combustible” y los análogos de “oxígeno” de lo que está involucrado en una combustión estándar, explosiva o no.
Aún así, las otras respuestas son válidas y más detalladas desde el punto de vista de un mecánico químico. Uno señala la presencia de NO2 claramente visible por su color rojo pardusco antes de la segunda poderosa explosión.
Pero la respuesta directa a su pregunta es que el oxidante y los productos reductores ya están dentro de la sal.
Nota al margen: el nitrato de amonio puede descomponerse por un choque mecánico, por lo que hubo suficientes condiciones para desencadenar la segunda explosión potente.
Solución 4:
El punto principal de esta respuesta es utilizar la explosión de 2013 West Fertilizer Company (animación de USCSB para el contexto) como un ejemplo de escenarios que podrían llevar a la detonación de AN, y también para mostrar que la situación puede volverse muy compleja e impredecible.
Cualquier cosa en las cercanías puede convertirse en combustible, especialmente si ya se está produciendo un incendio. Esto incluye los recipientes, las impurezas, el hollín y los escombros del fuego, etc. Además, el punto de fusión del nitrato de amonio es ~ 337 F, lo que significa que puede fundirse, posiblemente escapando de su recipiente y mezclarse fácilmente con fuentes de combustible.
El informe final sobre la explosión de fertilizantes en el oeste de CSB de EE. UU., Sección 4.3, describe tres posibles escenarios en los que podría haber ocurrido la explosión de 2013 en el oeste de Texas. La sección 4.2 describe los factores contribuyentes generales.
Estas no son las únicas formas en que puede explotar, pero son algunos ejemplos de los tipos de condiciones que podrían provocar una explosión.
Definitivamente debería leer el informe; mi breve resumen a continuación deja muchos análisis relevantes.
Entonces, de la sección 4.2, factores contribuyentes (FGAN = nitrato de amonio de grado fertilizante):
Contaminación
En situaciones de incendio, el comportamiento de FGAN es impredecible, en parte debido al número de reacciones de descomposición endotérmica y exotérmica que tienen lugar al aumentar la temperatura. Las reacciones de descomposición de FGAN más allá del primer paso aún no se han definido de manera única, y las reacciones de descomposición posteriores de FGAN solo pueden asumirse. Cuando se agregan contaminantes al AN, las reacciones de descomposición se vuelven cada vez más complejas. Las posibles fuentes de contaminación en un área de almacenamiento de FGAN pueden incluir líquidos inflamables, metales finamente divididos o materiales orgánicos, sales de cloruro, carbonos, ácidos, fibras y sulfuros. Estos contaminantes pueden aumentar la sensibilidad explosiva de FGAN.
El FGAN fundido en el WFC probablemente entró en contacto con contaminantes que se almacenaron en el almacén de fertilizantes o se produjeron durante el incendio que precedió a la explosión. Las semillas, el zinc y otros productos orgánicos, incluidos los contenedores de madera, estaban presentes cerca del área de almacenamiento de FGAN o podrían haber estado en contacto con FGAN fundido. Durante el incendio, el hollín del humo y también la madera colapsada y el material del techo podrían haberse mezclado con la pila de FGAN.
Ventilación deficiente
La ventilación limitada aumentó la cantidad de hollín en el humo y la posible contaminación de la pila FGAN. …
En algún momento alrededor de 5 a 6 minutos antes de la detonación, el carácter del fuego cambió, según relatos de testigos presenciales y evidencia fotográfica (Figura 40). Este cambio probablemente fue causado por una mayor ventilación a través de una abertura en la parte baja del edificio, posiblemente cuando el fuego atravesó las puertas de la sala de semillas o el techo. El fuego también podría haber sido aumentado por la oxidación de los gases de la pila FGAN calentada …
La ventilación adicional provocó una marcada disminución del humo oscuro y probablemente estuvo acompañada de un aumento importante de la radiación de calor dentro del edificio de fertilizantes debido al aumento de la disponibilidad de oxígeno para la madera en llamas y otros combustibles. Con la reducción del humo oscuro dentro de la estructura, el calor radiante llegaría a la superficie del FGAN en el contenedor y el aumento del flujo de aire a través del edificio aumentaría en gran medida el flujo de calor radiante al elevar la temperatura de la madera en llamas. La superficie del FGAN, cubierta de hollín o asfalto fundido, absorbería el flujo de calor y provocaría un calentamiento muy rápido de la superficie del pilote FGAN. La superficie muy caliente y contaminada de la pila fue entonces sensible a la detonación.
Y de la sección 4.3, algunos escenarios de detonación:
- Escenario 1: detonación desde la parte superior de la pila FGAN.
- Escenario 2: Detonación en FGAN calentado a lo largo de la pared exterior expuesta al fuego.
- Escenario 3: detonación en la fosa del ascensor que se extendió al depósito principal de FGAN
Escenario 1: detonación desde la parte superior de la pila
Basado en la ubicación de la pila y las propiedades del contenedor junto con las circunstancias de otros incidentes inducidos por incendios, un escenario posible es que un período de contaminación con hollín y otros orgánicos (posiblemente incluyendo asfalto fundido y plástico que gotea de la teja compuesta en llamas techo y tubería de bajada de PVC del mecanismo del elevador) fue seguido por aproximadamente 5 a 6 minutos de intenso calentamiento radiante de las llamas por encima y junto al depósito principal de FGAN. Durante este tiempo, una capa de FGAN líquido muy caliente, contaminado y sensible podría haberse acumulado en la pila. El FGAN espumoso probablemente produjo gases oxidantes y aquellos mezclados con humo inflamable para producir una nube de gas detonable sobre la pila de FGAN en el depósito principal y posiblemente en un depósito contiguo conectado al depósito principal a través de una serie de orificios cortados en la partición entre los contenedores. contenedores. La nube estaba formada por oxidantes poderosos que se esperarían cuando FGAN sufre descomposición térmica, como NO2, O2 y HNO3, así como humo rico en combustible y productos de pirólisis que se desprenden del FGAN fundido. La nube de gas podría haberse encendido desde arriba, experimentando una transición de deflagración a detonación (DDT) en fase gaseosa en el confinamiento del contenedor.
Escenario 2: detonación a lo largo de la línea de fuego
Este escenario implicó el calentamiento del FGAN a través de las paredes y se considera muy poco probable, por lo que, para ser breve, no lo voy a citar aquí. Consulte la sección 4.3.2 para obtener más detalles.
Escenario 3: detonación en el pozo del ascensor
Otro posible escenario de detonación se centra en el pozo del ascensor cerca del contenedor FGAN. Una tapa de fibra de vidrio cubría el pozo, y el piso se inclinaba lejos del pozo para evitar que la escorrentía ingresara, pero el fuego podría haber derretido la cubierta y los restos de FGAN podrían haber estado en el pozo. …
Si la detonación comenzó en el pozo, entonces el mecanismo más factible sería un colapso de la pared oeste del contenedor, derramando FGAN en una mezcla de caucho en llamas de la correa del elevador derretida y FGAN residual en el fondo del pozo. La masa del FGAN que cae, combinada con el fuerte confinamiento de las paredes de concreto del pozo, podría haber proporcionado las condiciones para un DDT en fase sólida que comienza en el fondo del pozo y se extiende hacia el pilote principal.
TLDR
Entonces, sí, el TLDR aquí es que las condiciones en un incendio pueden ser extremadamente complicadas e impredecibles, dando lugar a muchas oportunidades de contaminación y detonación.
En particular:
- AN puede derretirse y el líquido puede hacer cosas impredecibles.
- Los contenedores pueden ser destruidos por el fuego permitiendo que AN escape a lugares impredecibles.
- Incluso si el AN estuviera libre de contaminantes en condiciones normales, cualquier cosa en el área puede convertirse en una fuente de combustible, incluidos los contenedores mismos, los escombros del fuego, el humo, el hollín, las piezas de construcción colapsadas, etc.
En Beirut vimos que ya había un fuego ardiendo durante un tiempo significativo antes de la explosión, así como una explosión más pequeña que ocurrió <30 segundos antes de la principal. También hubo destellos y explosiones y muchas otras cosas sucediendo allí (según se informa, había fuegos artificiales almacenados en el mismo almacén). También estaba en un puerto marítimo, lo que significa que probablemente lote de cosas cercanas para que actúen como fuentes de combustible.
Es muy, muy concebible que el AN se haya calentado y contaminado lo suficiente durante este tiempo como para detonar.
Aquí hay una lista de otros accidentes de AN que podría investigar por su cuenta para conocer otros escenarios que pueden provocar detonaciones. Lo más notable:
- BASF, Oppau, Alemania, 1921
- Texas City, Texas, Estados Unidos, 1947
- AZF, Toulouse, Francia, 2001
- Ryongchŏn, Corea del Norte, 2004
- Tianjin, China, 2015
Además, también puede encontrar interesantes algunas de las teorías sobre el accidente de PEPCON de 1988 en Nevada, EE. UU. Eso no era nitrato de amonio (era perclorato de amonio, otro oxidante), pero los escenarios posibles son similares y también ilustra la complejidad de ese tipo de situaciones.
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