PRODUCCIÓN DE UREA
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ING. QUIONES PAREDES PEDRO Pgina 1
PRODUCCIN DE REA
RECURSOS NATURALES ORGNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIN
La urea es la diamida del cido carbnico:
rea cido Carbnico
La urea, tambin conocida como carbamida, carbonildiamida o cido arbamdicoes; es
un compuesto qumico cristalino e incoloro; de frmula CO(NH2)2. Se encuentra
abundantemente en la orina y en la materia fecal. Es el principal producto terminal del
metabolismo de protenas en el hombre y en los dems mamferos. La orina humana contiene
unos 20g por litro, y un adulto elimina de 25 a 39g diariamente.
En cantidades menores, est presente en la sangre, en el hgado, en la linfa y en los fluidos
serosos, y tambin en los excrementos de los peces y muchos otros animales. Tambin se
encuentra en el corazn, en los pulmones, en los huesos y en los rganos reproductivos as
como el semen. La urea se forma principalmente en el hgado como un producto final
del metabolismo. El nitrgeno de la urea, que constituye el 80% del nitrgeno en la orina,
procede de la degradacin de los diversos compuestos con nitrgeno, sobre todo de los
aminocidos de las protenas en los alimentos. En los mamferos la urea se forma en un ciclo
metablico denominado ciclo de la urea. La urea est presente tambin en los hongos as
como en las hojas y semillas de numerosas legumbres y cereales.
Debido a su momento dipolar, la urea es soluble en agua y en alcohol, y ligeramente soluble
en ter. Se obtiene mediante la sntesis de Whler, que fue diseada en 1828 por el qumico
alemn Friedrich Whler, y fue la segunda sustancia orgnica obtenida artificialmente, luego
del oxalato de amonio.
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Para la fabricacin tcnica de la urea se hacen reaccionar amoniaco y anhdrido carbnico
lquidos.
Amoniaco: El amonaco, azano o gas de amonio es un compuesto qumico cuya
molcula consiste en un tomo de nitrgeno y tres tomos de hidrgeno de acuerdo
con la frmula NH3.
Frmula: NH3
Densidad: 0,73 kg/m
Punto de ebullicin: -33,34 C
Masa molar: 17,031 g/mol
Punto de fusin: -77,73 C
Anhdrido carbnico: El dixido de carbono, tambin denominado xido de carbono,
gas carbnico y anhdrido carbnico, es un gas cuyas molculas estn compuestas por
dos tomos de oxgeno y uno de carbono. Su frmula molecular es CO2.
Frmula: CO2
Masa molar: 44,01 g/mol
Punto de fusin: -78 C
Punto de ebullicin: -57 C
Soluble en: Agua
DEFINICION OPERACIONAL DEL PROCESO INDUSTRIAL ORGANICO EN ESTUDIO
El proceso de realiza a partir de amoniaco (NH3) lquido y anhdrido carbnico (CO2) gaseoso.
Se realiza en un reactor vertical, que opera a 188 190 C y 160 Kgf/cm2 absoluta, un tiempo
de residencia de alrededor de 45 minutos y un grado de conversin (en un paso) del 65 70 %.
Combina la formacin de carbomato (exotrmica, rpida) en su parte inferior, por la
alimentacin de CO2 y NH3 en exceso y la descomposicin del carbomato en urea (mucho ms
lenta y endotrmica).
PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS, TERMODINAMICAS Y AMBIENTALES DEL PROCESO
Propiedades fsicas
Estado fsico y apariencia Slido (Slido Granulado)
Color Blanco.
Sabor Salino.
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Densidad 1340 kg/m3 ; 1,34g/cm3
Masa molar 60,06 g/mol
Punto de fusin 405,8 K (133 C)
Propiedades qumicas
Acidez 0.18 pKa
pH (10% sol n/agua) 8
Solubilidad en agua 108 g/100 ml (20 C)
167 g/100 ml (40 C)
251 g/100 ml (60 C)
400 g/100 ml (80 C)
733 g/100 ml (100 C)
Corrosividad Altamente corrosivo al acero al carbono. Poco al aluminio, zinc y cobre. No lo
es al vidrio y aceros especiales.
Propiedades ambientales
Es una sustancia higroscpica, es decir, que tiene la capacidad de absorber agua de la
atmsfera y presenta un ligero olor a amonaco.
La urea es una sustancia no peligrosa, no txica, no cancergena y tampoco es
inflamable aunque si es levemente irritante en contacto en los ojos y piel.
Es explosivo si se mezcla con agentes reductores fuertes, como hipoclorito y por termo
descomposicin, produce gases inflamables y txicos (NH3 y CO2).
DESCRIPCION DE LOS METODOS Y TECNOLOGIAS DE INDUSTRIALIZACION DEL
PROCESO.
La sntesis de urea a nivel industrial se realiza a partir de amonaco (NH3) lquido y anhdrido
carbnico (CO2) gaseoso. La reaccin se verifica en 2 pasos. En el primer paso, los reactivos
mencionados forman un producto intermedio llamado carbamato de amonio y, en la segunda
etapa, el carbamato se deshidrata para formar urea.
Dos son las tcnicas empleadas para la separacin del carbamato residual: la descompresin
y el desgasado o stripping con CO2.
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En el proceso de descompresin el efluente saliente del reactor se lamina de manera
que el carbamato no convertido en urea se descompone casi totalmente y se genera
una corriente gaseosa en la que se incluye el amoniaco en exceso que permaneca
disuelto. La fase lquida separada del gas est constituida por una solucin saturada de
carbamato, CO2 y NH3, en la que est disuelta la urea producida. Esta disolucin se
lamina nuevamente para descomponer el resto de carbamato, se concentra en una
serie de evaporadores que eliminan el agua que la acompaa para, finalmente,
cristalizar la urea en un cristalizador o, ms frecuentemente, granularla en una torre
de perdigonado (prilling).
El proceso de desgasado se basa en la idea de no reducir la presin absoluta del
efluente del reactor, sino en reducir la presin parcial del amoniaco de la fase gaseosa,
con lo que se desplaza el equilibrio de la reaccin hacia la izquierda. Para ello se pone
en contacto la corriente saliente del reactor con el CO2 comprimido que se alimenta a
la planta. De esta manera, adems de descomponerse el carbamato no convertido en
urea, se desgasa la solucin de urea del exceso de amonaco. A continuacin se
procede a la descompresin escalonada, como en el proceso convencional, se evapora
el agua para concentrar la solucin de urea y se procede a su cristalizacin o
granulacin.
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DIAGRAMA DE FLUJO
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DIAGRAMA DE BLOQUES
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MODELO ELEGIDO Y REACCIONES QUMICAS
La Planta de Urea utiliza el proceso MITSUI TOATSU TOTAL RECYCLE C-IMPROVED PROCESS,
de procedencia japonesa.
La Planta puede dividirse en 4 grandes secciones:
Sntesis
Descomposicin
Recuperacin
Cristalizacin y Prillado
SECCIN SNTESIS DE UREA
La Urea es producida por una reaccin altamente exotrmica entre el amonaco y el dixido de
carbono para formar carbamato de amonio, seguida posteriormente de una reaccin de
deshidratacin, ligeramente endotrmica del carbonato de amonio, para formar rea. Las
reacciones principales que ocurren son las siguientes:
(1)
(2)
Estas reacciones qumicas son reversibles. Las variables principales que las afectan son: la
temperatura, presin, composicin de las corrientes de alimentacin y tiempo de residencia.
La conversin de carbamato de amonio a urea tiene lugar en la fase lquida y requiere de altas
presiones y altas temperaturas. Las condiciones de operacin en el reactor de sntesis de urea
son de aproximadamente 200C y de 250 kg/
La conversin de Urea es limitada por la presencia de agua e incrementada por un exceso de
amoniaco. Esta reaccin qumica se realiza en un recipiente de alta presin donde el tiempo de
residencia es de aproximadamente 25 minutos.
Debido a la naturaleza corrosiva de los reactantes y productos de la reaccin el reactor est
protegido por un Lining de titanio, a lo largo de todas las superficies en contacto con los
fluidos de proceso.
Normalmente, los reactantes pueden corroer el Titanio, pero la adicin de pequeas
cantidades de oxgeno tiende a pasivarlo de tal manera que al final se obtiene un tiempo
satisfactorio de vida de este equipo.
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Debido a que la reaccin de sntesis de urea es exotrmica debe tenerse especial cuidado en
controlar la temperatura del reactor, esto se logra por la combinacin de los siguientes
factores:
Cantidad de amoniaco en exceso. (4/1 molar)
Rgimen de solucin de Reciclo.
Temperatura de precalentamiento del amonaco lquido.
SECCIN DESCOMPOSICIN
Los productos de la reaccin de sntesis son: rea, Biuret (indeseable dmero de la rea),
carbamato de amonio, agua y amoniaco en exceso. La siguiente etapa tiene como funcin
separar la Urea de los productos de reaccin.
El carbamato de amonio, exceso de amoniaco y algo de agua son removidos aplicando calor a
niveles de presin reducida. El carbamato de amonio es descompuesto a amoniaco y , de
acuerdo a la siguiente reaccin:
Esta reaccin de descomposicin se lleva a cabo a temperaturas entre 120C y 165C. El
decrecimiento de la presin e incremento de la temperatura favorecen la descomposicin.
Durante esta etapa se produce la reaccin de hidrlisis de la Urea de acuerdo a la siguiente
reaccin:
Debido a que la hidrlisis consume urea, sta reaccin no es deseada y se debe controlar para
minimizar las prdidas de producto. La reaccin de hidrlisis es favorecida a alta temperatura
y baja presin, por lo que las condiciones de operacin deben ser cuidadosamente
seleccionadas para evitar estos factores y mantener un alto rendimiento en la produccin de
Urea.
La formacin de Biuret es otro factor que debe ser considerado en la descomposicin. A baja
presin parcial de amonaco y a una temperatura arriba de 90 C, la Urea se descompone para
formar amonaco y biuret tal como lo muestra la siguiente reaccin:
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Esta reaccin es reversible y las principales variables que la afectan son la temperatura, la
concentracin de amoniaco y el tiempo de residencia.
El biuret es fcilmente producido en la Urea fundida o solucin de Urea concentrada, a
concentraciones bajas de amoniaco. Pero en el paso de sntesis, un exceso de amoniaco ayuda
a mantener la concentracin de biuret baja.
Existen tres etapas de descomposicin: 17kg/ , 2.5kg/ y 0 kg/ , las cuales son
usadas para separar completamente carbonato de amonio y exceso de amoniaco de la
solucin de Urea, antes que la corriente de esta ltima ingrese al cristalizador.
La concentracin de Urea que ingresa al cristalizador es de 75% en peso.
SECCIN DE RECUPERACIN
La diferencia bsica entre varios procesos de Urea est relacionada con los mtodos para
manipular los componentes y que no han reaccionado y provienen del rea de
descomposicin. En sta seccin se realizan dos procesos principales:
Separacin y reciclo de gases.
Separacin como gases y reciclo en una solucin o slurry
En el proceso Mitsui Toatsu Total Recycle Improved Process, se usa el mtodo de reciclo de la
solucin. La mezcla de gases de amoniaco y dixido de carbono proveniente de los
descomponedores es absorbida en una solucin de Urea y agua en los respectivos
absorbedores, y luego retornada al reactor de sntesis de Urea.
El amonaco en exceso es purificado en un absorbedor de alta presin y reciclado,
separadamente al reactor.
SECCIN CRISTALIZACIN Y PRILLADO
La solucin de Urea que sale de los descomponedores es cristalizada al vaco y los cristales
separados por medio de centrfugas.
En esta etapa se usa eficientemente el calor de cristalizacin para evaporar agua a baja
temperatura y cristalizar al vaco.
Los cristales formados, son centrifugados y secados a menos de 0.2% humedad, con aire
caliente. Para mantener el contenido de biuret a menos de 0.1% en los cristales de Urea, una
cierta cantidad de lquido madre, el cual contiene casi todo el biuret originalmente existente,
es reciclado a la seccin de recuperacin como una solucin absorbente del y .
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Este licor madre despus de absorber los gases mencionados es finalmente retornado al
reactor donde el biuret es convertido a urea, en presencia de un exceso de amonaco y de
acuerdo a la siguiente reaccin:
Los cristales secos son transportados a la parte superior de la torre por medio de una tubera
neumtica. Luego, son fundidos y pasados a travs de distribuidores (rociadores para formar el
prill de Urea por enfriamiento de aire a contracorriente).
La Urea recibida en el fondo de la torre es tamizada para remover los prills
sobredimensionados, luego es enviada al rea de almacenamiento, donde ser envasada.
OTRAS REACCIONES QUMICAS DE INTERS INDUSTRIAL
Por termo descomposicin, a temperaturas cercanas a los 150 - 160 C, produce gases
inflamables y txicos y otros compuestos. Por ejemplo amonaco, dixido de carbono, cianato
de amonio (NH4OCN) y biurea HN(CONH2)2. Si se contina calentando, se obtienen
compuestos cclicos del cido cinabrio.
Soluciones de urea neutras, se hidrolizan muy lentamente en ausencia de microorganismos,
dando amonaco y dixido de carbono. La cintica aumenta a mayores temperaturas, con el
agregado de cidos o bases y con un incremento de la concentracin de urea.
MECANISMOS DE REACCION DEL PROCESO PRINCIPAL
TECNOLOGIA DE PURIFIFCACION DEL PRODUCTO PRINCIPAL A OBTENER
La mayora de las plantas de gran escala se basan en algunos de los siguientes procesos de
despojamiento (stripping):
1. Proceso Stamicarbon, que est basado en el despojamiento con dixido de carbono.
2. Proceso Snamprogetti, se fundamenta en el despojamiento con amonaco.
3. Proceso Toyo, basado en el despojamiento con dixido de carbono.
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La escogencia de la tecnologa para la produccin de urea, debe estar sustentada en la
seleccin del proceso que sea energticamente eficiente. Para ello el mtodo debe poseer una
alta eficacia en la conversin de dixido de carbono a urea en el reactor de sntesis; eficiente
descomposicin del carbamato, buena separacin de los productos de la descomposicin y del
exceso de amonaco y mxima recuperacin y eficiente empleo del calor liberado.
IMPACTO AMBIENTAL DE LOS MATERIALES
Los impactos socioeconmicos positivos de esta industria son obvios: los fertilizantes son
crticos para lograr el nivel de produccin agrcola necesario para alimentar la poblacin
mundial, rpidamente creciente.
Adems, hay impactos positivos indirectos para el medio ambiente natural que provienen del
uso adecuado de estas sustancias; por ejemplo, los fertilizantes qumicos 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 produccin 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 acuticos, si las concentraciones son altas: amoniaco o los compuestos de
amonio, urea de las plantas de nitrgeno, cadmio, arsnico, y fluoruro de las operaciones de
fosfato, si est presente como impureza en la piedra de fosfato.
Adems, es comn encontrar en los efluentes, slidos totales suspendidos, nitrato y nitrgeno
orgnico, fosforo, potasio, y (como resultado), mucha demanda de oxigeno bioqumico (DOB);
y, con la excepcin de la demanda de oxigeno bioqumico, estos contaminantes ocurren
tambin en las aguas lluvias que escurren de las reas de almacenamiento de los materiales y
desechos.
Es posible disear plantas de fosfato de tal manera que no se produzcan descargas de aguas
servidas, excepto en el caso del rebosamiento de una piscina de evaporacin durante las
temporadas de excesiva lluvia, pero esto no siempre es prctico.
Los productos de fertilizantes terminados tambin son posibles contaminantes del agua; su
uso excesivo e inadecuado puede contribuir a la eutrofizacin de las aguas superficiales o
contaminacin con nitrgeno del agua fretica. Adems, la explotacin 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 extraccin nueva o expandida, sea
que la planta est situada cerca de la mina o no.
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La utilizacin de los fertilizantes trae dos problemas a los cuales quienes se encarguen de su
aplicacin, deben prestar atencin.
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 volatilizacin es muy comn y se
dan grandes prdidas del mismo, si no se aplica con precaucin. Para evitar esto se puede
llegar a recubrir el suelo antes de la aplicacin del fertilizante de urea, y as evitar la prdida
del compuesto como ya hemos explicado. El segundo inconveniente, y el ms importante, es
que su utilizacin en exceso o aplicada y el suelo se encuentra a mucha temperatura, puede
llevar a una derivacin del compuesto, y esta nueva combinacin del mismo con otras
sustancias del suelo, puede llegar a contaminar las plantaciones y destruir una cosecha de
meses. As es que su aplicacin se debe realizar con las medidas de seguridad necesarias y
gente que tenga conocimiento sobre el trabajo que est realizando.
APLICACIN INDUSTRIAL
Fertilizante El 91% de la urea producida se emplea como fertilizante. Se aplica al suelo y
provee nitrgeno a la planta. Tambin 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, ctricos.
La urea como fertilizante presenta la ventaja de proporcionar un alto contenido de nitrgeno,
esencial en el metabolismo de la planta ya que se relaciona directamente con la cantidad
de tallos y hojas, quienes absorben la luz para la fotosntesis. Adems el nitrgeno est
presente en las vitaminas y protenas, 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 nitrgeno. El grano se aplica al suelo, el cul debe estar bien
trabajado y ser rico en bacterias. La aplicacin puede hacerse en el momento de la siembra o
antes. Luego el grano se hidroliza y se descompone.
Debe tenerse mucho cuidado en la correcta aplicacin de la urea al suelo. Si sta es aplicada
en la superficie, o si no se incorpora al suelo, ya sea por correcta aplicacin, lluvia o riego, el
amonaco se vaporiza y las prdidas son muy importantes. La carencia de nitrgeno en la
planta se manifiesta en una disminucin del rea foliar y una cada de la actividad
fotosinttica.
Fertilizacin foliar La fertilizacin foliar es una antigua prctica, pero en general se aplican
cantidades relativamente exiguas con relacin a las de suelo, en particular de macronutrientes.
Sin embargo varios antecedentes internacionales demuestran que el empleo de urea bajo
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de biuret permite reducir las dosis de fertilizantes aplicados al suelo, sin prdida de
rendimiento, tamao y calidad de fruta[cita requerida]. Estudios realizados en Tucumn demuestran
que las aplicaciones foliares de urea en bajas cantidades resultan tan efectivas como las
aplicaciones al suelo[cita requerida]. Esto convalida la prctica de aplicar fertilizantes junto con las
aplicaciones de otros agroqumicos como complemento de un programa de fertilizacin
eficiente.
Industria qumica y de los plsticos Se encuentra presente en adhesivos, plsticos, resinas,
tintas, productos farmacuticos y acabados para productos textiles, papel y metales.
Como suplemento alimenticio para ganado: Se mezcla en el alimento del ganado y aporta
nitrgeno, vital en la formacin de las protenas.
Produccin de resinas Como por ejemplo la resina urea-formaldehdo . Estas resinas tienen
varias aplicaciones en la industria, como por ejemplo la produccin de madera aglomerada.
Tambin se usa en la produccin de cosmticos y pinturas.
Produccin de drogas Se usa como adulterante para la fabricacin de drogas como la
metanfetamina.