Producción de la Urea

Produccón de la Urea

INTRODUCCIÓN

La UREA es un compuesto químico cristalino e incoloro, de formula CO(NH₂)₂. Se encuentra abundantemente en la orina y en la materia fecal.

La materia prima de la cual se obtiene la urea es a partir del amoniaco (NH₃) y el dióxido de carbono (CO₂), para formar un compuesto intermedio, el cual es el que va a producir la urea.

La síntesis de urea a nivel industrial se realiza a partir de amoníaco (NH₃) líquido y anhídrido carbónico (CO₂) gaseoso.

El proceso completo de producción de la urea puede separarse en las siguientes etapas: obtención de CO_2., obtención de amoníaco, formación de carbomato, degradación del carbomato y reciclado, síntesis de urea, eshidratación, concentración y granulación.

La urea la materia prima para la formación de alimentos de ganado, fertilizantes agropecuarios y cremas humectantes. La obtención de dicho compuesto a nivel industrial va a estar dirigido por la formación de carbomatos.

La utilización de fertilizantes de urea y fosfato permite que las plantaciones se vuelvan más fuertes y pueden sobrellevar, con la ayuda de los productos agroquímicos necesarios, distintos tipos de insectos, bacterias y virus que pueden llegar a afectarlas durante el tiempo que dure la maduración de sus frutos.

PRODUCCIÓN DE UREA

UREA. DEFINICIÓN

La UREA es un compuesto químico cristalino e incoloro, de formula CO(NH₂)₂. Se encuentra abundantemente en la orina y en la materia fecal. Es el principal producto terminal del metabolismo de proteínas en el hombre y en los demás mamíferos. La orina humana contiene unos 20g por litro. En cantidades menores, está presente en la sangre, en el hígado, en la linfa y en los fluidos serosos y también en los excrementos de los peces y muchos otros animales. También se encuentra en el corazón, en los pulmones, huesos, en los órganos reproductivos (semen), hongos, legumble y cereales.

La Urea, también conocida como carbamida, carbonildiamida o acido arbamidico, es el nombre del acido carbónico de la di amida. Cuya fórmula química es (NH₂)₂CO.

PROPIEDADES

TIENE LA CAPACIDAD DE ABSORBER EL AGUA DE LA ATMOSFERA.
CALOR DE COMBUSTION 2531 CAL/Gr
OLOR LIGERO A AMONIACO.
PESO MOLECULAR 60,06 Gr/Mol
NO ES TOXICO, CORROCIVO AL ACERO AL CARBO POCO AL AL, ZN, Cu, NO LO ES AL VIDRIO Y ACEROS ESPECIALES.
CALOR DE FUSIÓN 5,78
NO ES INFLAMABLE
DENSIDAD 768 Kg/M3
PUNTO DE FUSION 132,7 ºc
HUMEDAD CRISTALINO 30 ºc

REACCIONES INVOLUCRADAS

La preparacion de urea a nivel industrial se elabora a partir de amoníaco (NH₃) líquido y anhídrido carbónico (CO₂) gaseoso. La reacción se verifica en II Etapas. En el primera etapa, los reactivos mencionados forman un producto intermedio llamado carbomato de amonio y, en la segunda etapa, el carbomato se deshidrata para formar urea.

Las velocidades de las reacciones son diferentes. La primera etapa es mucho más rápida que la segunda, con lo cual el carbomato intermedio se acumula. Además, la primera reacción no se verifica por completo, por lo que también quedan amoníaco y dióxido libres. En adición a esto, debe mencionarse que el carbomato es un producto altamente corrosivo, por lo cual lo que se hace es degradar la parte de carbomato no convertido a urea en sus reactivos de origen, y luego volver a formarlo.

Vemos que la primera reacción es exotérmica, y la segunda es endotérmica.

Un problema del proceso es que en el segundo paso de la reacción, se forma un producto llamado biuret, que resulta de la unión de dos moléculas de urea con pérdida de una molécula de amoníaco. Este producto es indeseable por ser un tóxico. Por esta razón es necesaria su eliminación.

LA MATERIA PRIMA

La materia prima ivolucradas: el amoniaco (NH₃) y el dióxido de carbono (CO₂), para formar un compuesto intermedio, el cual es el que va a producir la urea.

PROCESO DE MANUFACTURA

A partir de amoniaco (NH₃) liquido y anhídrido carbónico (CO₂) gaseoso.

Se realiza en un reactor vertical, que opera a 188 – 190 ºC y 160 Kgf/cm₂ absoluta, una relación N/C de 3,6 – 3,8, un tiempo de residencia de alrededor de 45 minutos y un grado de conversión (en un paso) del 65 – 70 %.

Combina la formación de carbomato (exotérmica, rápida) en suparte inferior, por la alimentación de CO₂ y NH₃ en exceso y la descomposición del carbomato en urea (mucho más lenta y endotérmica).

La producción de la urea puede vizalizarse en las siguientes etapas:

Obtención de CO_2.
Obtención de amoníaco.
Formación de carbomato.
Degradación del carbomato y reciclado.
Síntesis de urea.
Deshidratación, concentración y granulación.

(Ver Anexo 1)

Obtención de CO₂

El CO₂ se obtiene a partir de gas natural, mediante la reacción conocida como reforming.

Antes del reforming, deben separarse las impurezas del gas, tales como gotas de aceite, partículas de polvo, y sobre todo desulfurar el gas, ya que el azufre interfiere con la acción de los catalizadores. (Ver anexo 2)

Luego de purificar el gas, se procede a la obtención de CO₂ mediante dos etapas de reforming catalítico con vapor de agua. El calor necesario para la reacción, la cuál es endotérmica, proviene de la combustión del gas natural y de los gases parcialmente reformados. Se deja entrar aire al reactor para obtener la relación necesaria de H₂/N₂para la posterior obtención del amoníaco. La reacción es la siguiente

2 CH₄ + 3 H₂O CO + CO₂ + 7 H₂

Las dos etapas de reforming se verifican según la reacción expuesta, y a la salida de la segunda etapa, se obtiene un gas con las siguientes proporciones: 56% H₂, 12% CO, 8% CO₂, 23% N₂ y menos de 0,5% CH₄.

Para eliminar el CO y convertirlo en CO₂, se realiza la conversión de CO haciendo que reaccione catalíticamente con vapor de agua para formar CO₂ y H₂usando hierro y cobre como catalizadores.

Del gas resultante se separa el CO2 mediante una solución de mono etanol amina (MEA), mediante la siguiente reacción:

MEA (CO₂) MEA + CO₂

Compresión del anhídrido carbónico

El dióxido resultante es enviado a dos etapas sucesivas de compresión en las cuáles se eleva la presión a 160 atmósferas absolutas. Al dióxido se le agregan pequeñas cantidades de aire pasivante para inhibir la acción corrosiva.

Obtención de amoníaco

El otro reactivo necesario para la producción de urea es el amoníaco. Éste se obtiene a partir del gas reformado (Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de agua (craqueo- rupturas de las moléculas de CH4). El gas natural se mezcla con vapor en la proporción (1 : 3,3)-(gas : vapor) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas) separado del CO₂. Se produce primeramente una etapa de metanación para convertir a metano las bajas proporciones que quedan de CO y CO₂ en circulación, dado que éstos interferirían en la acción del catalizador en la etapa final de síntesis del amoníaco

CO + 3 H₂ CH₄ + H₂O

CO₂ + 4 H₂ CH₄ + 2 H₂O

Luego de la metanación, el gas circulante se compone de aire, metano y vapor de agua, los cuales reaccionan con catalizador de hierro para formar amoníaco en estado gaseoso según:

7 CH₄ + 10 H₂O + 8 N₂ + 2 O₂ 16 NH₃ + 7 CO₂

El amoníaco gaseoso se condensa por enfriamiento y se separa del gas para almacenarlo a presión de unas 13 atmósferas. El amoníaco gaseoso remanente es recirculado al loop de síntesis. (Ver anexo 3)

Formación del carbomato

La reacción de síntesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones (200 bar) y el nivel térmico óptimo (190ªC) en un reactor construido en acero inoxidable especial.

La reacción se produce entre el amoníaco, el CO₂ y la solución reciclada de carbomato, proveniente de la etapa de absorción.

El carbomato de amonio se forma a partir de CO₂ y NH₃ según la siguiente reacción (esta reacción genera calor):

2NH₃(g) + CO₂(g) NH₂– COONH₄(l)
DH= -117 kJ/mol

Amoniaco + Gas Carbónico Carbomato de Amonio

Antes de ingresar al reactor, el CO₂ es comprimido hasta 200 atm, mediante un compresor eléctrico y el amoníaco hasta 145 atm.

El NH₃ y el CO₂ reaccionan rápida y exotérmicamente, en una etapa primera, para formar el carbomato, que luego se deshidrata a urea + agua. Esta reacción logra cerca del 100% en condiciones normales.

Descomposición del carbomato.

No todo el Carbomato de Amonio se descompone en Urea y Agua. La fracción que se descompone para formar Urea en relación a la cantidad total que ingresa al reactor se denomina conversión. La conversión de Carbomato en Urea en el reactor está en el orden de 70%. Es decir que de cada 100 Kg de carbomato que se forman, sólo 70 Kg pasan a Urea. El resto debe reciclarse permanentemente y en forma contínua al reactor para lograr una conversión total.

Como habíamos visto, el carbomato se forma mucho más rápido que la urea. Al ser altamente corrosivo, su manejo es muy difícil. Por ésta razón, lo que se hace es degradarlo nuevamente a NH₃ y CO₂ para luego volver a formarlo.

La reacción de descomposición:

NH₂– COONH₄ (l) 2NH₃ (g) + CO₂(g)

Se logra de dos formas:

Bajando la presión y temperatura, se desplaza el equilibrio hacia los reactivos. Luego la mezcla gaseosa se vuelve a comprimir causando su recombinación. Si hay amoníaco en exceso, este se separa en forma gaseosa de la solución de carbomato. Para disminuir los costos totales de la recompresión, esta se realiza en dos etapas.
La otra forma es mediante el stripping del amoníaco, desplazando la reacción hacia productos. Al bajar la presión parcial del reactivo, el sistema evoluciona hacia su equilibrio degradando el carbomato. Esta forma tiene la ventaja de poder hacerse a la presión de síntesis, lo que reduce el costo de recompresión.

Síntesis de urea.

El carbomato se deshidrata a urea mediante la reacción:

NH₂– COONH₄ (l) NH₂ – CO – NH₂(l) + H₂O (l)
DH= +15.5 kJ/mol

Como se ve, la reacción es endotérmica, y habíamos dicho que es mucho más lenta que la de producción de carbomato. La cinética de la reacción aumenta con la temperatura, con una mayor relación NH₃/CO₂ y disminuye con una mayor presencia de agua.

La producción de la Urea se realiza en un reactor vertical, que opera a 188 – 190 ºC y 160 Kgf/cm² absoluta, una relación N/C de 3,6 – 3,8, un tiempo de residencia de alrededor de 45 minutos y un grado de conversión (en un paso) del 65 – 70 %.

Esta operación combina la formación de carbomato (exot., rápida) en su parte inferior, por la alimentación de CO₂ y NH₃ en exceso y la descomposición del carbomato en urea (mucho más lenta y endotérmica).

Formación de biuret

El biuret se forma cuando dos moléculas de urea se unen liberando una molécula de amoníaco según

2 NH₂ – CO – NH₂ NH₂ – CO – NH – CO – NH₂ + NH₃

Se trata de una sustancia altamente tóxica para las plantas, por lo cual su concentración en la urea debe ser muy baja, menor al 0.4%. Para lograr bajas concentraciones se usa un exceso de amoníaco en la síntesis de urea. (ver anexo4)

Concentración

La corriente de Urea y agua obtenida en las etapas de Descomposición, la cual contiene aproximadamente 70% de Urea, es concentrada al 80% en un concentrador de vacío mediante la aplicación de calor externo utilizando vapor de agua. Esta corriente se denomina Urea de Sintesis, y es bombeada hacia la unidad de Evaporación.

Evaporación

La corriente proveniente del Concentrador se sigue concentrado en dos etapas de Evaporación, la primera de ellas (se concentra hasta 95 %) operando a 0.3 Kg/cm2 absolutos y la segunda (se concentra hasta 99.8 %) a muy alto vacío, para lograr la evaporación del agua sin descomponer térmicamente la Urea. Un equipo clave de esta etapa es un eyector de importantes dimensiones que permite lograr los niveles de vacío requeridos.

Se obtiene de este modo una corriente de Urea fundida a 132 °C con muy bajo contenido de agua, del orden de 0.5%. Esta corriente es enviada a la Torre de Prilling para la formación de perlas de Urea.

Granulación

Luego se pasa al perlado de Urea (formación de pequeñas perlas del orden de 2 – 4 mm de diámetro) se realiza en la Torre de Perlado (Torre de Prilling).

La Urea fundida es bombeada a la parte superiror de la torre de 80 mts de altura y 16 mts. de diámetro. Mediante un canasto giratorio con unas 6000 pequeñas perforaciones se logra obtener una lluvia de Urea fundida, cuyas gotas se van solidificando primero y enfriando luego durante su caída libre, a la vez que se hace circular aire en sentido contrario mediante grandes ventiladores ubicados en la parte superior de la torre.

Se obtiene de este modo el producto final, a unos 40 – 50 °C de temperatura, el cual es transportado mediante elevadores y cintas a los silos de almacenaje.

USOS

Debido a su alto contenido en nitrógeno, la urea preparada comercialmente se utiliza en la fabricación de fertilizantes agrícolas. La urea se utiliza también como estabilizador en explosivos de carbono-celulosa y es un componente básico de resinas preparadas sintéticamente.

Asimismo se usa en los piensos para rumiantes. Es una fuente de nitrógeno no proteico que puede aprovechar la flora bacteriana que vive en el sistema digestivo de los rumiantes para producir proteínas, que nutren a su huésped. Es mucho más barato que las proteínas de origen vegetal, y aunque consumen calorías para convertir la urea en proteína, resulta más rentable.

Se puede utilizar otras fuentes de nitrógeno no proteico, como el amoniaco o nitratos, pero la urea es más segura. Las vacas eliminan por la saliva la urea producida por su metabolismo y así la pueden aprovechar. La leche de vaca también contiene urea.

En dermatología la urea se utiliza como humectante natural por sus excelentes propiedades hidratantes. Otro uso importante en la industria química es la fabricación de resinas Urea-Formaldehido, teniendo como uso principal la aglomeración de madera para la fabricación de Triplay; también tiene usos en resinas Fenol-Formaldehido para la industria de la fundición entre otras.

Fertilizante

El 90% de la urea producida se emplea como fertilizante. Se aplica al suelo y provee nitrógeno a la planta. También se utiliza la urea de bajo contenido de biuret (menor al 0.03%) como fertilizante de uso foliar.

Se disuelve en agua y se aplica a las hojas de las plantas, sobre todo frutales, cítricos. La urea como fertilizante presenta la ventaja de proporcionar un alto contenido de nitrógeno, el cual es esencial en el metabolismo de la planta ya que se relaciona directamente con la cantidad de tallos y hojas, las cuales absorben la luz para la fotosíntesis. Además el nitrógeno esta presente en las vitaminas y proteínas, y se relaciona con el contenido proteico de los cereales.

La urea se adapta a diferentes tipos de cultivos. Es necesario fertilizar, ya que con la cosecha se pierde una gran cantidad de nitrógeno.

El grano se aplica al suelo, el cual debe estar bien trabajado y ser rico en bacterias. La aplicación puede hacerse en el momento de la siembra o antes.

Luego el grano se hidroliza y se descompone:

NH₂ – CO – NH₂ 2NH₃ + CO₂

Debe tenerse mucho cuidado en la correcta aplicación de la urea al suelo. Si esta es aplicada en la superficie, o si no se incorpora al suelo, ya sea por correcta aplicación, lluvia o riego, el amoniaco se vaporiza y las perdidas son muy importantes. La carencia de nitrógeno en la planta se manifiesta en una disminución del área foliar y una caída de la actividad fotosintética.

Fertilización foliar

La fertilización foliar es una antigua practica, pero en general se aplican cantidades relativamente exiguas en relación a las de suelo, en particular de macronutrientes.

Sin embargo varios antecedentes internacionales demuestran que el empleo de urea bajo de biuret permite reducir las dosis de fertilizantes aplicados al suelo, sin pérdida de rendimiento, tamaño y calidad de fruta. Estudios realizados en Tucumán demuestran que las aplicaciones foliares de urea en bajas cantidades resultan tan efectivas como las aplicaciones al suelo.

Esto convalida la práctica de aplicar fertilizantes junto con las aplicaciones de otros agroquímicos como complemento de un programa de fertilización eficiente.

Industria química y plástica

Se encuentra presente en adhesivos, plásticos, resinas, tintas, productos farmacéuticos y acabados para productos textiles, papel y metales.

Como suplemento alimentario para ganado

Se mezcla en el alimento del ganado y aporta nitrógeno, el cual es vital en la formación de las proteínas.

Producción de resinas

Como por ejemplo la resina urea-formaldehido. Estas resinas tienen varias aplicaciones en la industria, como por ejemplo la producción de madera aglomerada. También se usa en la producción de cosméticos y pinturas.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN LA ECONOMÍA

La urea como fertilizante presenta la ventaja de proporcionar un alto contenido de nitrógeno, el cuál es esencial en el metabolismo de la planta ya que se relaciona directamente con la cantidad de tallos y hojas, las cuáles absorben la luz para la fotosíntesis. Además el nitrógeno está presente en las vitaminas y proteínas, y se relaciona con el contenido proteico de los cereales.

Debe tenerse mucho cuidado en la correcta aplicación de la urea al suelo. Si ésta es aplicada en la superficie, o si no se incorpora al suelo, ya sea por correcta aplicación, lluvia o riego, el amoníaco se vaporiza y las pérdidas son muy importantes. La carencia de nitrógeno en la planta se manifiesta en una disminución del área foliar y una caída de la actividad fotosintética.

Con una inversión de más de 1,000 millones de dólares por parte del Gobierno de Venezuela en cooperación con una empresa de tecnología alemana, se reinauguro la planta de urea, construida edificada dentro del Complejo Petroquímico de Morón, estado Carabobo, Venezuela, y la cual prevé aumentar del 40% de la producción de dicho fertilizante en el país.

La planta tendrá una producción de 594 mil toneladas de amoníaco y 700 mil de urea. Actualmente Venezuela produce dos millones de toneladas de urea, la cual aumentará con la incorporación de la nueva planta a 2 millones 700 mil tonelada.

Se espera que la planta este completamente operando en noviembre de 2010.

El objetivo principal de este nuevo proyecto, es satisfacer las necesidades de alimentación internas y luego exportar este fertilizante para la producción agrícola.

INDUSTRIAS DE VENEZUELA PRODUCTORAS DE UREA

Nitroven – Av. Fco. de Miranda calle mis encantos Chacao
Pequiven – Av. Fco. de Miranda calle mis encantos 5001 Chacao
Construcciones Proyectos Y Asesoría De Venezuela – Av. Marida Edificio Lazio piso 1 Of. 07 Sector pueblo nuevo 6003 Anaco
P&V – Calle 10 La soledad Maracay
Serviferil – (Fertilizantes y Servicios para el Agro) Carretera nacional Morón Cabo morón
Intequim (Intequím C.A. Química Integrada) – Av. Francisco de Miranda Parque cristal Torre oeste p. 2 Los palos grandes Caracas
Fertinitro – (Fertilizantes Nitrogenados de Oriente) – Complejo Petroquímico José Antonio Anzoátegui Edif. Pequiven Anzoátegui
Quibarca – Edif. Parque Cristal, Torre Oeste, Piso 12 Ofic. 12-03-B. Los Palos Grandes Caracas
Oxinova – Torre Loretto II, Piso 2, Oficina 1, Vía Colombia con Av. Las Américas, Puerto Ordaz.

IMPACTO AMBIENTAL

Los impactos socioeconómicos positivos de esta industria son obvios: los fertilizantes son críticos para lograr el nivel de producción agrícola necesario para alimentar la población mundial, rápidamente creciente.

Además, hay impactos positivos indirectos para el medio ambiente natural que provienen del uso adecuado de estas sustancias; por ejemplo, los fertilizantes químicos permiten intensificar la agricultura en los terrenos existentes, reduciendo la necesidad de expandirla hacia otras tierras que puedan tener usos naturales o sociales distintos.

Sin embargo, los impactos ambientales negativos de la producción de fertilizantes pueden ser severos. Las aguas servidas constituyen un problema fundamental. Pueden ser muy acidas o alcalinas y, dependiendo del tipo de planta, pueden contener algunas sustancias toxicas para los organismos acuáticos, si las concentraciones son altas: amoniaco o los compuestos de amonio, urea de las plantas de nitrógeno, cadmio, arsénico, y fluoruro de las operaciones de fosfato, si está presente como impureza en la piedra de fosfato.

Además, es común encontrar en los efluentes, sólidos totales suspendidos, nitrato y nitrógeno orgánico, fosforo, potasio, y (como resultado), mucha demanda de oxigeno bioquímico (DOB); y, con la excepción de la demanda de oxigeno bioquímico, estos contaminantes ocurren también en las aguas lluvias que escurren de las áreas de almacenamiento de los materiales y desechos.

Es posible diseñar plantas de fosfato de tal manera que no se produzcan descargas de aguas servidas, excepto en el caso del rebosamiento de una piscina de evaporación durante las temporadas de excesiva lluvia, pero esto no siempre es práctico.

Los productos de fertilizantes terminados también son posibles contaminantes del agua; su uso excesivo e inadecuado puede contribuir a la eutrofización de las aguas superficiales o contaminación con nitrógeno del agua freática. Además, la explotación de fosfato puede causar efectos negativos. Estos deben ser tomados en cuenta, cuando se predicen los impactos potenciales de proyectos que incluyan las operaciones de extracción nueva o expandida, sea que la planta está situada cerca de la mina o no.

La utilización de los fertilizantes trae dos problemas a los cuales quienes se encarguen de su aplicación, deben prestar atención.

El primer inconveniente al cual se enfrentan quienes utilizan este producto, es que es un compuesto que cuando se aplica en la superficie del suelo, su volatilización es muy común y se dan grandes pérdidas del mismo, si no se aplica con precaución. Para evitar esto se puede llegar a recubrir el suelo antes de la aplicación del fertilizante de urea, y así evitar la pérdida del compuesto como ya hemos explicado. El segundo inconveniente, y el más importante, es que su utilización en exceso o aplicada y el suelo se encuentra a mucha temperatura, puede llevar a una derivación del compuesto, y esta nueva combinación del mismo con otras sustancias del suelo, puede llegar a contaminar las plantaciones y destruir una cosecha de meses. Así es que su aplicación se debe realizar con las medidas de seguridad necesarias y gente que tenga conocimiento sobre el trabajo que está realizando.

CONCLUSIÓN

En el proceso de elaboración de cualquier producto, los aspectos más importantes son garantizar una excelente calidad del mismo por medio de un riguroso control, utilizar una buena materia prima y realizar un óptimo proceso de fabricación. Es nuestro papel como futuros ingenieros formar parte y contribuir a la evolución de procesos químicos tan interesantes como éstos.

También como futuros profesionales, es importante que se encuentren alternativas de solución a los problemas que las etapas del proceso pueden acarrear al medio ambiente, porque es del todo razonable considerar que ningún proceso puede ser 100% efectivo, eficaz y eficiente si de alguna manera interfiere perjudicialmente con el entorno que nos rodea. Siempre puede existir un verdadero equilibrio entre los procesos de producción y el medio ambiente en el que se desarrollan.

BIBLIOGRAFÍA