UNIVERSIDAD LAICA ‘‘ELOY ALFARO’’ DE MANABÍ
GRUPO # 10
INTEGRANTES:
- CEDEÑO BARCIA MELANI ANALIA
- CARREÑO CEDEÑO CÈSAR SAMUEL
- TUMBACO CEDEÑO ADRIANA CAROLINA
- ROBLES DELGADO JACINTO RODRIGO
1. INTRODUCCIÓN
El amoniaco es uno de los
productos petroquímicos de mayor importancia a nivel mundial entre los que se
produce comercialmente por el hombre. El amoniaco a temperatura ambiente es un
gas incoloro con un olor muy penetrante e irritante. Se emplea en solución
acuosa. Es fácilmente soluble en agua y se evapora rápidamente.
La producción de amoníaco
se realiza principalmente por la reacción entre nitrógeno e hidrógeno conocida
como el método de Haber-Bosch, donde tres moléculas de hidrógeno reaccionan con
una de nitrógeno en fase gaseosa sobre un catalizador de hierro para producir
dos moléculas de amoníaco. La ruta química más utilizada es el reformado con
vapor, las plantas de producción se basan en esta reacción y en el tratamiento
de la materia prima (Gas Natural) para llevarla a cabo.
La obtención del amoniaco
se lleva a cabo principalmente a partir de la reacción de Nitrógeno (N2)
e Hidrógeno (H2), mediante procesos industriales. Pequeñas
cantidades de amoniaco se producen industrialmente como subproducto de la
coquización del carbón. La mayor proporción de producción industrial de
amoniaco ocurre en áreas donde el gas natural es barato y abundante ya que el
amoniaco se sintetiza usando este como materia prima. El amoníaco se puede
almacenar en almacenamientos refrigerados a presión atmosférica y
aproximadamente –33ºC con capacidades de 10000 a 30000 tn (hasta 50000).
Por lo tanto, podemos determinar que la base de nuestro proyecto dentro de la industria de gases industriales es de vital importancia para saber cómo tal desde que punto se puede partir para crear este compuesto. También se puede recalcar a esta industria como base de grandes procesos que sirven de mucho para nuestro conocimiento y a su vez para forjar una excelente carrera profesión
2. JUSTIFICACIÓN
En Ecuador el desarrollo de las industrias es fundamental porque son un soporte para la producción manufacturera, es por eso que en la actualidad el tema de los gases industriales dentro de las industrias es muy considerado dentro de las distintas empresas y las diversas producciones de bienes convirtiéndola en uno de los temas de mayor relevancia a nivel industrial.
El amoniaco (NH3) es el cimiento de la industria de fertilizantes nitrogenados. A nivel mundial cercad el 89% de la producción de amoniaco es utilizada en fertilizantes, tanto para aplicación directa o convertida en una variedad de fertilizantes nitrogenados sólidos y líquidos. Sin embargo, hay muchas aplicaciones industriales importantes para el NH3: los limpiadores para el hogar están hechos de una solución de NH3 al 5 -10% en agua (para formar hidróxido de amonio), por su gran poder de vaporización es utilizado como refrigerante, inhibidor de corrosión, en purificación de fuentes de agua, en la industria de pulpa de papel, en la metalurgia, industria del caucho, en comidas, en bebidas, en textiles, en productos farmacéuticos y en la industria el cuero (IPNI, 2014).
Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original del año 1913. Las modificaciones más importantes están relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco. La fabricación de amoníaco constituye uno de los ejemplos de la industria química pesada. El 77% de la producción mundial de amoniaco emplea Gas natural como materia prima. El 85% de la producción mundial de amoniaco emplea procesos de reformado con vapor (COLCIENCIAS, 2013).
El siguiente trabajo distinguirá reflejado la descripción que las diferentes etapas involucradas en el proceso industrial. La utilidad de este trabajo se refleja en el manejo y dominio de las diferentes destrezas adquiridas durante el parcial. Es de suma importancia demostrar los diferentes procesos físicos y químicos que transcurren dentro de las etapas de la línea de proceso industrial para la obtención de amoniaco.
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.1 Amoniaco
El amoníaco es un gas incoloro de olor muy penetrante. Ocurre naturalmente y es también manufacturado. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. La mayor parte del amoníaco producido en plantas químicas es usada para fabricar abonos. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas (ATSDR, 2002).
Según la teoría de repulsión entre pares de electrones de la capa de valencia, los pares electrónicos de valencia del nitrógeno en la molécula se orientan hacia los vértices de un tetraedro, distribución característica cuando existe hibridación sp³. Existe un par solitario, por lo que la geometría de la molécula es piramidal trigonal (grupo puntual de simetría C3v). En disolución acuosa se puede comportar como una base y formarse el ion amonio, NH4+, con un átomo de hidrógeno en cada vértice de un tetraedro.
La molécula de amoniaco presenta átomos de hidrógeno unidos a un átomo de nitrógeno, que es muy pequeño y electronegativo, lo que facilita la formación de enlaces intermoleculares de hidrógeno.
Según la teoría de Brönsted-Lowry base es toda sustancia capaz de captar la especie H+, por ello el amoniaco se va a comportar como una base, captando protones y dando lugar a la formación del ion amonio
NH3 + H+ →NH4+
Al igual que cualquier base reacciona con los ácidos para formar sales (reacción de neutralización)
NH3 + HCl → NH4Cl
Este carácter básico puede explicarse también mediante la teoría de Lewis, ya que el átomo de nitrógeno tiene un par de electrones sin compartir que pueden ser cedidos a otros compuestos, explicándose también de esta manera la formación del ion amonio. En disolución acuosa, el amoniaco, libera iones OH-
NH3 + H2O → NH4+ + OH-
El valor de la constante de equilibrio nos indica que se trata de una base débil. Industrialmente se vende como gas comprimido con una pureza de 99,5%.
3.2 Propiedades físicas
En condiciones de temperatura y presión ambiente el Amoniaco Anhidro es un gas incoloro, sofocante, de olor irritante y altamente irritante; su olor es familiar al público en general debido a que se emplea en productos de limpieza en forma de soluciones acuosas. Es más liviano que el aire y posee características de inflamabilidad. Es fácilmente comprimido hasta condensar como líquido transparente a condiciones de 10 atmósferas y 25ºC. El Amoniaco Anhidro en cualquiera de sus presentaciones es higroscópico.
· Estado físico: Gas, puro Líquido, solución
· Peso molecular (g/mol): 17,03
· Punto de ebullición (ºC, 760 mm Hg): -33,35
· Punto de fusión (ºC): -77,7
· Presión de vapor (mm Hg): 6 080 (20ºC anhidro) 447 (20ºC aq al 28%)
· Gravedad especifica (Agua = 1): 0,6818 (líquido a -33,35ºC)
· Densidad del vapor (Aire = 1): 0,59
· Velocidad de evaporación (acetato de butilo = 1): No disponible
· Constante de Ley de Henry (atm*m3 /mol): 1,6 x 10-5; 25ºC
· Solubilidad en Agua (g/ml)
0ºC = 895 g/litro
20ºC = 529 g/litro
40ºC = 316 g/litro
60ºC = 168 g/litro
Límites de inflamabilidad (% vol): 16% - 25%
Punto de inflamación (ºC): No disponible
pH: 11,6; solución acuosa 1N
3.3 Aplicaciones y usos
Amoniaco en los fertilizantes
Alrededor del 90 por ciento del amoníaco producido se utiliza en fertilizantes para mantener la producción de alimentos para miles de millones de personas en todo el mundo. La producción de cultivos para alimentos consume los suministros de nutrientes del suelo. Con el fin de mantener los cultivos sanos, los agricultores dependen de los fertilizantes para mantener sus terrenos productivos. Los fertilizantes también pueden aumentar los niveles de nutrientes esenciales como el zinc, el selenio y el boro en los cultivos de alimentos.
Amoniaco en los productos de limpieza para el hogar
Por sí solo o como ingrediente en muchos productos de limpieza para el hogar, el amoníaco puede utilizarse para limpiar una variedad de superficies como bañeras, lavabos y retretes, para encimeras y azulejos de baño y cocina. El amoníaco también es eficaz en la eliminación de la suciedad de la casa y de las manchas de grasas animales o aceites vegetales, como la grasa que se genera al cocinar y las manchas de vino. Debido a que el amoníaco se evapora rápidamente, se suele utilizar en soluciones de limpieza para vidrios para evitar la aparición de rayas.
Amoniaco en usos industriales y en fabricación
Cuando se lo usa como un gas refrigerante y en equipos de aire acondicionado, el amoníaco puede absorber cantidades significativas del calor de sus alrededores.
El amoníaco puede usarse para purificar los suministros de agua y como un elemento fundamental en la fabricación de muchos productos como plásticos, explosivos, telas, pesticidas y tinturas.
El amoníaco también se utiliza en el tratamiento de residuos y de aguas residuales, el almacenamiento en frío, caucho, en las industrias de celulosa y papel y de alimentos y bebidas como un estabilizador, neutralizador y una fuente de nitrógeno. También se lo utiliza en la elaboración de fármacos
3.4 Almacenamiento y transporte
De acuerdo al boletín de PEMEX, Petroquímica, “Uso seguro del amoniaco” recomienda:
· Cilindros metálicos, auto tanques, carro tanques y tanques portátiles para gases licuados bajo presión
· Material de acero. No se permiten aleaciones de cobre, plata o zinc.
· No deberán presentarse señales de abuso físico, deformaciones, abolladuras, fracturas, laminaciones.
· Los recipientes deben inspeccionarse y probarse periódicamente, registrando los resultados obtenidos.
· Contarán con una placa que los identifique con los datos siguientes: especificación, presión de servicio, Nº de serie, fechas de construcción y de última prueba.
· Las mangueras para carga y descarga de camiones deben sustituirse si cuentan con tres años de servicio, aunque aparenten estar en buen estado.
· Debe contar con las siguientes señales de clasificación de riesgo.
3.5 Riesgos y consejos de prudencia en su manipulación
Frases de Riesgo
· R10: Inflamable.
· R23: Tóxico por la inhalación.
· R34: Causa quemaduras.
· R50: Muy tóxico para los organismos acuáticos.
Consejos de prudencia.
· S1/2: Mantener fuera del alcance de niños.
· S9: Mantener el envase en un lugar bien ventilado.
· S16: Mantener la sustancia lejos de las fuentes de la ignición (No fumar).
· S26: En caso del contacto con los ojos, aclarar inmediatamente con agua y buscar consejo médico.
· S36/37/39: Llevar puesto ropa protectora, guantes y máscara de protección facial.
· S45: En caso del accidente o que se encuentre indispuesto, busque consejo médico inmediatamente.
3.6 Origen y accesibilidad de la materia prima
La materia prima más utilizada para la obtención del amoniaco es el gas natural debido a razones económicas pero la producción es muy versátil en cuanto a la materia prima ya que se puede utilizar otro hidrocarburo o agua, pero se tiene el inconveniente que se debe cambiar el proceso.
El gas natural es un gas combustible que se encuentra en la naturaleza en reservas subterráneas en rocas porosas. Consiste en una mezcla de hidrocarburos simples compuesta principalmente de metano (CH4) y otros hidrocarburos más pesados; además también puede contener trazas de nitrógeno, bióxido de carbono, ácido sulfhídrico y agua, dependiendo de su origen se clasifican en:
· Gas asociado: es el que se extrae junto con el petróleo crudo y contiene grandes cantidades de hidrocarburos como etano, propano, butano y naftas.
· Gas no asociado: es el que se encuentra en depósitos que no contiene petróleo crudo.
Composición del gas natural
El gas natural tiene que procesarse para poder cumplir con estándares de calidad. Los estándares son especificados por las compañías de transmisión y distribución, las cuales varían dependiendo del diseño del sistema de ductos y de las necesidades del mercado que se quiere atender.
3.7 Balance de materia
Un balance de materia para un proceso industrial es la contabilidad exacta de los materiales que intervienen en el mismo, constituyendo así la más amplia aplicación de la ley de conservación de la masa. Muchos autores reconocen al balance materia, como un método matemático utilizado principalmente en ingeniería química. Establece que la masa de un sistema cerrado permanece siempre constante.
Entradas = salidas + acumulación
Dentro de ello entonces, podemos encontrar los balances de masa. Donde se puede expresar su forma conceptual matemática mediante una ecuación, así:
Masa de entrada = masa de salida + masa acumulada
3.8 importancia del amoníaco dentro de la Industrial
Cuando se lo usa como un gas refrigerante y en equipos de aire acondicionado, el amoníaco puede absorber cantidades significativas del calor de sus alrededores. El amoníaco puede usarse para purificar los suministros de agua y como un elemento fundamental en la fabricación de muchos productos como plásticos, explosivos, telas, pesticidas y tinturas. El amoníaco también se utiliza en el tratamiento de residuos y de aguas residuales, el almacenamiento en frío, caucho, en las industrias de celulosa y papel y de alimentos y bebidas como un estabilizador, neutralizador y una fuente de nitrógeno. También se lo utiliza en la elaboración de fármacos.
El amoníaco también se usa en la
agricultura porque no tiene un impacto negativo en el medio ambiente y el
suelo. Se espera que otros compuestos químicos contenidos en los fertilizantes
regulen los parámetros del suelo. Esto se traduce en rendimientos mucho
mejores. Otro beneficiario de las capacidades que ofrece el amoníaco es, por
supuesto, la industria textil. El amoníaco líquido ha encontrado una amplia
aplicación en la industria del curtido, así como en la producción de tintes
utilizados en la coloración de textiles. El amoníaco líquido es esencial en la
producción de tejidos sintéticos. La solución de amoníaco permite que la
coloración de la tela obtenga casi cualquier color. Los fabricantes de armas
utilizan una gran cantidad de amoníaco.
3.9 balance de Materia
Los
balances de materia y energía son una forma de contabilizar las entradas y
salidas de materiales de un proceso o de una parte de éste y pueden ser
aplicados a aquellos procesos en donde las propiedades de las materias primas
tienden a variar, con la finalidad de obtener productos estandarizados que
sirvan para cubrir las necesidades de la sociedad. (Diaz, 2020)
Se
pueden distinguir cuatro tipos de balances de materia dependiendo del tipo de
sistema:
1.Sistema con entradas, salidas y reacciones químicas.
2. Sistema sin reacciones químicas.
4. Sistema sin corrientes de entrada ni de salida, pero con reacción química.
4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
4.1 Diagrama de flujo-Etapas del proceso.
Desulfurado 1
CH4S+ H2 ----- CH4+ H2S
Desulfurado 2
H2S+ZnO ---- H2O + ZnS
Reformado 1
CH4+ H2O ---- CO +3 H2
CH4 + 2 H2O ---- CO2 + 4 H2
Reformado 2
CH4+2 O2 ---- CO2 + 2 H2O
Convertidor
CO+H2O ---- CO2 + H2
Metanizador
Co + 3 H2 ----- CH4 + H2O
CO2 + 4H2 ---- CH4 + 2 H2O
Síntesis
N2 + 3H2 ---- 2NH3
4.2 Descripción de las etapas del proceso productivo
4.2.1 Desulfurado
Los subproductos que genera la destilación del petróleo contiene entre ellos el Metano llegan a tener una cantidad de Azufre. Para ello antes del reformar este gas se debe que eliminar el contenido de S dentro del gas natural.
En esta etapa del proceso se lleva a cabo el tratamiento preliminar del Gas Natural, eliminando de éste los componentes dañinos (compuestos de azufre) capaces de envenenar a los catalizadores en la etapa de Reformación. En este proceso de desulfurado se divide en dos etapas donde se generan la siguiente reacción
Desulfurado 1
CH4S+H2 ----- CH4+ H2S
En este proceso entre 1000 kg/hr de gas metano que contiene un 3,30% de Metanotiol (CH4S), es reaccionado con un 1,375 kg/hr de H2, obteniendo un producto de 1001,38 kg/hr con un 97,67% de Ch4 y un 2,33 % de H2S.
Desulfurado 2
H2S+ZnO ---- H2O + ZnS
Los 1001,38 kg/hr de producto entra a la segunda desulfuración donde reacciona la cantidad existente de 23,375 kg/hr de H2S con 55, 9625 kg/hr de ZnO para generar Sulfuro de Zinc y Agua.
4.2.2 Reformado
En esta etapa se produce hidrógeno para la síntesis de Amoníaco; definiendo así la utilidad de la misma. Se compone básicamente de Reformación Primaria (formación de H2, CO y CO2) y Reformación Secundaria (completar la conversión del metano a H2, CO y CO2; además se inyecta aire para aprovechar el nitrógeno de éste)
Reformado primario
El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes.
CH4 + H2O ----- CO + 3H2
CH4 + 2H2O ----- CO2 +4 H2
En este proceso los 978 kg/hr de Ch4 reaccionan con agua para generar Monóxido y Dióxido de carbono cono Dihidrógeno, reaccionando un 90% del metano. Para ello se hace una relación Agua metano de 3/1.
Reformado secundario
Pasa al segundo reformador para completar la conversión del metano (gas natural) y añadir el aire comprimido precalentado, qué suministra el nitrógeno necesario en la reacción.
CH4+2O2 ---- CO2 + 2H2O
Se ingresa 775 kg/hr de Aire con una composición de 21% O2 y 79% de N2 donde reacciona el O2 existente con 97.8 kg/hr de metano.
4.2.3Convertidor
La sección de Conversión es la encargada de hacer reaccionar el monóxido de carbono con vapor de agua para formar dióxido de carbono, que puede ser removido fácilmente en la siguiente sección.
CO+H2O ---- CO2 + H2
Los 770,175 Kg/hr de Monóxido de carbono reaccionan un 90% con 1589,709 Kg/hr de Agua que contiene el proceso para convertirlo en 1089,2 Kg/hr de CO2 y 49.51 Kg/hr de H2.
4.2.4 Eliminación de CO2
Se realiza el proceso de absorción de CO2, este suele ser usado para su comercialización.
Se elimina el 95% de CO2 del proceso que es 2290.84 kg/hr.
4.2.5 Metanizador
Las pequeñas cantidades de CO y CO2 que quedan en el gas de proceso deben retirarse para evitar que puedan envenenar el catalizador de síntesis, normalmente se transforman en metano mediante hidrogenación. El agua que se genera en estas reacciones deber ser eliminada, para ello se enfría y se condensa a la salida del metanizador.
CO + 3H2 ----- CH4 + H2O
CO2 + 4H2 ---- CH4 + 2H2O
Los 77.018 kg/hr de CO y 120.57 Kg/hr de CO2 reaccionan con 434.5988 kg/hr de H2 para generar 148.160 kg/hr de H2O y 87.85 kg/hr de CH4.
4.2.6 Compresor
Se elimina la cantidad de agua existente.
En este proceso es extraída 1292.27 kg/hr de Agua existente.
4.2.7 Síntesis del Amoniaco
A continuación, el gas se comprime a la presión de 200 atm. Aproximadamente (compresor centrífugo con turbina de vapor) y se lleva al reactor donde tiene lugar la producción del amoníaco, sobre un lecho catalítico.
N2 + 3H2 ---- 2NH3
Los 612.25 Kg/hr de N2 es con 396.1731 kg/hr de H2 con una reacción del 15%, obtiene 111.52 kg/hr de NH3 para su distribución.
4.2. Descripción General del Proceso
El proceso de obtención de Amoniaco, se genera mediante el proceso de desulfurado que está dividido en dos parte, el flujo de entrada es de 1000 kg/hr de gas natural que contiene un 96,70% de metano Ch4 y un 3,30% de metanotiol CH4S, en el proceso de desulfurado se genera una reacción para eliminar el contenido de azufre existe para ello se usara 1,375 kg/hr de Dihidrogeno, esta reacción tiene una conversión del 100%, CH4S + H2 = CH4+H2S, obteniendo metano y Ácido Sulfhídrico, el cual en una segunda sulfuración con Óxido de Zinc se genera una reacción (H2S + ZnO=H2O+ZnS) obteniendo Agua y un desecho que será Sulfuro de Zinc. Luego pasa por un proceso de reformación primaria y secundaria, que se usara en la reformación primaria Agua que tendrá una reacción completa e incompleta con el metano (CH3 + H2O = CO + 3H2);( CH3 + H2O = CO2+4H2) con una reacción del 90%, es pasado a un segundo reformador, que es usado con aire (contiene 21% O2 y 79% N2)donde el metano es reacciona con el O2 (CH4 + 2O2 = CO2 + H2O), generando Dióxido de carbono y Agua, Para transformar la mayor cantidad de Monóxido de Carbono dentro del proceso, este es pasado por un Convertidor donde reacciona ( CO + H2O = CO2 + H2) el monóxido de carbono con el agua para generar más Dióxido de carbono y Dihidrógeno. Además, es eliminada la mayor cantidad de Co2 en este proceso para luego pasar por el proceso de Metanizado, Donde reacciona todo el Monóxido de carbono y Dióxido de carbono con Dihidrógeno para generar Metano y Agua (CO + 3H2 = CH4 + H2O); (CO2 + 4 H2O = CH4 + 2 H2O), luego pasa por un compresor que su función es eliminar la cantidad de agua existen, para así llevar a la síntesis del proceso que se da una reacción del 20% de N2 + 3 H2 generando Amoniaco NH3 y otros productos.
5. BALANCE DE MATERIA.
SUMA DE CALOR:
|
Etiquetas de
fila |
Suma de CALOR
NECESARIO |
|
ETAPA 1 |
240,76 |
|
DESULFURADO 1 |
240,76 |
|
KJ/mol |
240,76 |
|
ETAPA 2 |
87,50 |
|
DESULFURADO 2 |
87,50 |
|
KJ/mol |
87,50 |
|
ETAPA 3 |
185,40 |
|
REFORMADOR 1 |
185,40 |
|
KJ/mol |
185,40 |
|
ETAPA 4 |
2720,98 |
|
REFORMADOR 2 |
2720,98 |
|
KJ/mol |
2720,98 |
|
ETAPA 5 |
1141,51 |
|
CONVERTIDOR |
1141,51 |
|
KJ/mol |
1141,51 |
|
ETAPA 6 |
370,50 |
|
METANIZADOR |
370,50 |
|
KJ/mol |
370,50 |
|
ETAPA 7 |
653,00 |
|
COMPRESOR |
653,00 |
|
KJ/mol |
653,00 |
|
ETAPA 8 |
92,40 |
|
SINTESIS DE AMONIACO |
92,40 |
|
KJ/mol |
92,40 |
|
Total,
general |
5492,05 |
|
ETAPA #1 |
DESULFURADO 1 |
|
ETAPA #3 |
REFORMADOR 1 |
6. CONCLUSIONES
· El amoníaco, un gas incoloro con un olor característico, es un elemento químico fundamental y un componente clave en la fabricación de muchos productos de uso diario. Se produce de manera natural en el ambiente, en el aire, el suelo y el agua, en plantas y animales, incluidos los seres humanos.
· Mediante este trabajo logramos conocer más a fondo como es la producción de amoniaco, desde la primera etapa hasta la última etapa del proceso además de saber los seguimientos que se debe pasar hasta poder obtener el producto.
7. RECOMENDACIONES
· Se debe contar con toda la información necesarias y precisa para el estudio de la línea de producción, ya que, una información errada podría ocasionar problemas al momento de realizar los cálculos pertinentes.
· Se podría recomendar analizar muy bien este campo ya que engloba bastante información de producción de amoniaco.
9. BIBLIOGRAFÍA
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características, seguridad y manejo. (2018). Recuperado de: https://www.amoquimicos.com/usos-del-amoniaco-liquido
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contenido de CO2. Argentina
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(2019). Amoniaco. Recuperado de: https://www.chemicalsafetyfacts.org/es/amoniaco/
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Perú.
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9.
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amoniaco en granjas avícolas en el Cantón Balsas. Guayaquil. Ecuador
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