Amoniaco y Urea Páez, D. C.I:24.471.060 Pérez, F. C.I:23.791.715 Uzcategui, D. C.I:25.881.261 Procesos Petroquímicos, 6to Semestre de Ingeniería Petroquímica, 23 de Septiembre del 2015
[email protected] [email protected] [email protected] RESUMEN El amoniaco es un compuesto químico de gran utilidad en la industria formado de nitrógeno e hidrogeno, se utiliza para la síntesis de algunos fármacos y la elaboración de productos de limpieza, así como la producción de la urea, compuesto nitrogenado utilizado como fertilizante agrícola. Las materias primas para obtener amoniaco son muchas como el gas natural, nafta, LPG entre otros, sin embargo la más rentable es el gas natural. Para la obtención del amoniaco principalmente se utilizan dos procesos que son el Haber-Bosch y el reformado catalítico con vapor tomando siempre en cuenta en todo proceso el ahorro energético.
1.- INTRODUCCION.
amoniaco es enorme: tintes para textiles, nuevos materiales como el
Ni la electricidad, ni el binomio
nylon, alimentación del ganado
informática-Internet, ni siquiera la
estabulado,
televisión.
refrigeradores
Lo
que
realmente
los
primeros y
aires
cambió la marcha del siglo XX fue
acondicionados,
el amoniaco. Es lo que defienden
productos de limpieza, extracción
algunos científicos hoy día, es un
mineral etc. El amoniaco es la
compuesto de tres átomos de
forma de nitrógeno más vendida
hidrógeno y uno de nitrógeno.
debido a que este compuesto es el
Como fertilizante, ha sostenido la
más
alimentación de miles de millones
necesario para la vida.
de personas y no especialmente como fertilizante se emplea el NH3, la lista de aplicaciones del
importante
pinturas,
del
planeta,
El amoniaco es un compuesto químico el cual consiste en un
átomo de nitrógeno y tres átomos
de gas de síntesis la cual forma la
de hidrogeno siendo de esta
mayor parte de la producción
manera más ligero que el aire y el
empleada
derivado
del
reformado con vapor el cual utiliza
nitrógeno. Cuando se habla a nivel
como materia prima el gas natural,
industrial del amoniaco en cuanto a
naftas ligeras o pesadas.
más
importante
su formación sintética por la unión directa de los elementos según el químico alemán Fritz Haber, un proceso por el que obtenía NH 3 de d e la combinación de hidrógeno y nitrógeno a alta temperatura y presión
en
presencia
de
un
catalizador como el óxido de hierro. La inmediata aplicación industrial del sistema por parte de
por
procesos
de
En la planta petroquímica una de las materias primas principales para la obtención de NH 3 es el gas natural debido a su bajo contenido de azufre y un bajo costo de consumo energético, volviéndolo altamente
rentable
para
la
producción de amoniaco a nivel industrial.
la
La materia prima de la cual se
independencia agrícola, hoy día
obtiene la urea es a partir del
este
denominado
amoniaco (NH3) y el dióxido de
Haber-Bosch y uno de los más
carbono (CO2), para formar un
usados para la obtención de
compuesto intermedio, el cual es el
amoniaco.
que va a producir la urea.
Existen numerosos métodos en la
La síntesis de urea a nivel
síntesis actual del amoniaco, pero
industrial se realiza a partir de
todos ellos derivan del proceso
amoníaco (NH3) líquido y anhídrido
Haber-Bosch
carbónico
Carl
Bosch proceso
permitió es
original.
Las
(CO2)
gaseoso.
El
modificaciones más importantes
proceso completo de producción
están relacionadas con la fuente
de la urea puede separarse en las
siguientes etapas: obtención de
Según Wikipedia (2015) señala
CO2., obtención de amoníaco,
que:
formación
de
azano, espíritu de Hartshorn o gas
degradación
del
carbamato
síntesis
de
reciclado,
deshidratación,
carbamato, y
urea,
concentración
y
granulación.
formación de alimentos de ganado, agropecuarios
y
cremas humectantes. La obtención de
dicho
amoníaco,
amoniaco,
de amonio es un compuesto químico
de
nitrógeno
con
la
fórmula química NH 3. Es un gas incoloro con un característico olor
La urea es la materia prima para la fertilizantes
“El
compuesto
a
nivel
industrial va a estar dirigido por la formación de carbamato.
acre.
El
amoníaco
significativamente
contribuye a
las
necesidades nutricionales de los organismos terrestres por ser un precursor de comida y fertilizante. El
amoníaco
directa
o
indirectamente, es también un elemento
importante
para
la
La utilización de fertilizantes de
síntesis de muchos fármacos y
urea y fosfato permite que las
también es usado en diversos
plantaciones
más
productos comerciales de limpieza.
fuertes y pueden sobrellevar, con
Pese a su gran uso, el amoníaco
la
es
ayuda
se de
vuelvan los
productos
cáustico
y
peligroso.
La
agroquímicos necesarios, distintos
producción industrial del amoníaco
tipos de insectos, bacterias y virus
del 2012 se anticipó a ser 198 000
que pueden llegar a afectarlas
000 toneladas, siendo un 35% de
durante el tiempo que dure la
incremento con respecto al año
maduración de sus frutos.
2006, con 146 500 000 toneladas.
2.-MARCO TEORICO.
NH3 ebulle a los -33.34 °C con una
2.1.- Amoniaco
presión de una atmósfera, esto ayuda a que se pueda conservarlo
en estado líquido bajo presión con
acético. Ambas reacciones forman
bajas temperaturas. El amoníaco
sales de amoníaco sin olor.
casero o Hidróxido de amoníaco es una solución de NH 3 en agua. La concentración de dicha solución es medida en unidades de Escala Baumé, con 26 grados baumé (cerca del 30% por peso de amoníaco)
estando
en
típicas
Sólido: La simetría del cristal es cúbico, Su símbolo pearson es CP16,
grupo
espacial
P213
No.198, constante de red 0.5125 nm. Líquido: El amoníaco líquido posee
concentraciones altas del producto
fuertes
fuerzas
ionizantes
comercial.” [8]
reflejando
su
constante
alta
dieléctrica de 22. El amoníaco
2.1.1.- Propiedades
líquido tiene una muy alta entalpía
Según Wikipedia (2015) señala
de vaporización (23.35 kJ/mol, cf.
que: “El amoníaco es un gas
agua 40.65 kJ/mol, metano 8.19
incoloro con un olor desagradable.
kJ/mol, fosfina 14.6 kJ/mol) y
Es más ligero que el aire, su
puede ser usado en laboratorios en
densidad es 0.589 veces que el de
vasos no aislados sin refrigeración.
el aire de la atmósfera. Es fácilmente condensado por sus
Propiedades disolventes
fuertes puentes de hidrógeno entre
El amoníaco es miscible con agua.
las moléculas; el líquido ebulle a -
En una solución acuosa, puede
33.3 °C y se congela a los -77.7 °C
salir con ebullición. La solución
en cristales blancos.
acuosa de amoníaco es una base.
El amoníaco se puede desodorizar fácilmente
reaccionando
con
bicarbonato de sodio o ácido
La
concentración
máxima
de
amoníaco en agua tiene una densidad de 0.880 g/cm 3 y es frecuentemente
sabido
como
'amoníaco 0.880'. El amoníaco no
se quema ni sostiene combustión,
rumiantes, la urea es utilizada
excepto bajo estrechas mezclas de
como fertilizante agrícola y en la
combustible de 15 a 25% de aire.
elaboración
Combustión: Cuando se mezcla oxígeno, se quema con una llama de color verde amarillento pálido. En una alta temperatura y en la presencia de un catalizador, el amoníaco se descompone en sus elementos
constituyentes.
combustión
ocurre
cuando
La la
de
plásticos.
Actualmente se presenta en el mercado en formas granulada y perlada, siendo esta última la más recomendada para uso animal por su
soltura
y
facilidad
para
mezclarla con otros ingredientes. Cabe señalar que la urea ocurre como
producto
final
del
clorina pasa a amonio, formando
metabolismo de nitrógeno en casi
nitrógeno y cloruro de hidrógeno; si
todos los mamíferos, incluso en el
la clorina está en exceso, se forma
hombre. La urea es muy soluble en
el explosivo tricloruro de nitrógeno
agua e higroscópica, facilitando la
(NCl3).” [8]
formación de terrones cuando es expuesta
2.2.- Urea
al
medio
ambiente.
Debido a su costo, disponibilidad
Según FONAIAP (1995) señala
en el mercado y tradición de uso
que: “La urea es un compuesto
en la alimentación de rumiantes
nitrogenado no proteico, cristalino
por muchos países alrededor del
y sin color, identificado con la
mundo, la urea es la más utilizada
fórmula N2H4CO, elaborada en
entre los compuestos nitrogenátios
plantas químicas que producen
no
amoniaco anhidro cuando fijan el
diamónico, acetato de amonio,
nitrógeno del aire a presiones y
sulfato de amonio y otros). La urea
temperaturas altas. Además de
contiene aproximadamente 46% de
suplemento
proteico
en
los
proteicos
(biureta,
fosfato
nitrógeno, representando 287,50%
acidificante de 100 partes
de proteína equivalente total.” [2]
de urea. Es altamente altamente corrosiva corrosiva al
2.2.1.- Propiedades
acero
al
carbono,
poco
La urea uno de los fertilizantes con
corrosiva al aluminio, cinc y
una diversidad de propiedades
cobre
fisicoquímicas,
especiales y el vidrio. Es
según
QuimiNet
(2007):”
muy
Fórmula global: CON2H4
Fórmula
semidesarrollada:
NH2 – CO – NH2 Masa molecular: 60.06 g
mol-1
Estado
de
agregación:
sólido.
Densidad: 1.34 g/cm³
Temperatura
de
y
no
soluble
a
aceros
en
agua,
alcohol y amoníaco. “ [5]
2.3.- Materias primas Según Valderrama. José. (1994): “Como
la
mayor
parte
del
amoniaco producido en el mundo se obtiene a partir del gas de síntesis, se han tomado para la comparación las distintas materias
fusión:
primas que puedan dar lugar a la
132.7 ºC
mezcla CO/H2: gas natural, nafta,
Calor de fusión: 24.18J/g
fuel-oil y carbón. Los costes de
Calor de combustión: 10590
inversión en una instalación para la
J/g
misma capacidad de producción de
Calor de disolución en agua:
amoniaco, empleando estas cuatro
241.8 J/g
materias primas, expresados en
Tiene un carácter ácido,
unidades
relativas,
son:
gas
siendo necesarios 84 partes
natural, 1; nafta, 1.09; fue-oil, 1,51;
de carbonato de calcio para
y carbón, 1,87. Como puede
neutralizar
observarse, la menor inversión
el
efecto
corresponde al gas natural: En la
tabla 1 se indican los costes de
más de calorías y el coste de
producción de NH3 a partir de
inversión es dos veces superior al
diversas
de una instalación a base de gas
materias
primas
y
diferentes capacidades. Se puede apreciar las ventajas del efecto de escala (González Velasco et al., 1990).
natural de igual capacidad. Otras materias primas como LPG, nafta,
residuos
incluso
petrolíferos
madera,
así
e
como
hidrogeno electrolítico, se utilizan también para fabricar NH 3. Sin embargo, se estima que aun las cargas ligeras como LPG o nafta presentan, en relación al metano, una desventaja energética del 5 a Gracias a su relación C/H muy
10%. Actualmente solo Europa
favorable, a la ausencia de azufre
tiene, por razones históricas, una
(veneno para los catalizadores) y a
parte
su poder calorífico elevado, el
capacidad
metano es una materia prima
orden
privilegiada para la producción de
materias
amoniaco. Se estima que es más
metano. En cambio en el resto del
ventajoso producir NH3 a partir de
mundo, el 95% de la producción de
metano importado por mar desde
NH3 utiliza el gas natural como
un yacimiento ubicado a 10000 km
materia
de distancia que fabricarlo a partir
considerando
de un carbón extraído y gasificado
energéticos,
en el lugar.
económicos,
Una unidad de amoniaco que utiliza carbón consume un 50%
no
despreciable de
del
de
producción
20%) primas
prima.
en
distintas
al
definitiva, aspectos
ambientales es
(del
basada
En los
su
y
recomendable
producir amoniaco a partir del gas natural, empleando el proceso de
reformado catalítico con vapor con
el gas natural ya que a este al
las
aplicarle
últimas
innovaciones
tecnológicas.” [7]
el
proceso
de
transformación es mucho más
El amoniaco
producido a nivel
industrial
se
adquiere
principalmente del gas de síntesis donde son utilizados procesos de obtención de NH 3 tales como Haber-Bosch, reformado catalítico con vapor (Steam Reforming) entre otros, de otra forma también se emplean distintas materias primas para la elaboración del amoniaco unas de estas serían: LPG (Gas licuado del petróleo), residuos de petróleo, nafta, fuel-oil, carbón entre otras. Cada una de estas
sencillo
y
económico
en
comparación con el resto de las materias primas ya mencionadas debido a que estas tienen a poseer un mayor consumo de energía para lograr ser transformadas, otra de las ventajas del gas natural son debido a su poca concentración de azufres la cual este agente no es nada favorable en el proceso de obtención ya que ataca de una manera
agresiva
catalizadores
a
los
empleados
para
elaboración del amoniaco.
materias primas señaladas posee
2.4.- Procesos Industriales
sus ventajas y desventajas para la
(Steam Reforming).
previa
obtención
del
producto
deseado, donde estas afectan la producción de amoniaco ya sea de una manera económica o de tratamiento
en
la
planta;
respectivamente a nivel mundial está comprobado que una de las materias primas más favorables para la producción de amoniaco es
Según Prias Omar. (2012): “Se parte del gas natural constituido por una mezcla de hidrocarburos siendo el 90% metano (CH 4) para obtener el H2 necesario para la síntesis de NH3. Desulfuración
El gas natural pasa primero a través de un lecho absorbente, para remover las últimas trazas de
CH4 + H2O
CO + 3H2
CH4 + 2H2O
CO2 + 4H2
azufre que actúan reduciendo la
La reacción global es fuertemente
vida del catalizador.
endotérmica, y para conseguir un
R-SH + H2
alto porcentaje de reformado hay RH
+ H 2S
H2O + ZnO
temperaturas
reacción se verifica en un horno donde se quema combustible, circulando los reaccionantes dentro
Reformado con Vapor Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de agua rupturas
a
alcanzar estas temperaturas, la
Adsorción
(craqueo-
operar
superiores a 700ºC. A fin de
Hidrogenación H2S + ZnO
que
de
las
moléculas de CH 4). 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. Reformador Primario El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos
de
unos
tubos
rellenos
de
catalizador (óxido de Níquel (NiO)), así se favorece la formación de H 2. Reformador Secundario Los
gases
procedentes
del
reformador primario, se mezclan con una corriente de aire para proporcionar
la
cantidad
de
nitrógeno necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del
metano
alcanzándose
temperaturas superiores a 1000ºC.
del equipo donde tiene lugar las
Las reacciones que tienen lugar
reacciones siguientes
son:
Reacción de combustión
esto
0,275 O2 + 1,1N2 + 0,4H 2 + 0,15CO
0,4H2O + 0,15CO 2 +
ocurra
precalentar
es
el
necesario
aire
a
temperatura del orden de 600°C.
1,1N2
Purificación del gas de síntesis
Reacción de reformado
Los
0,2CH4 + 0,2CO 2 + 0,2H 2 + 0,2H2O
0,4CO + 0,6H 2 +
0,2H2O
gases
procedentes
del
reformado secundario, contienen cantidades
importantes
de
monóxido de carbono que hay que convertir en hidrógeno por medio de vapor agua, debido a que el CO
Reacción global CH4 + O,270 O 2 + 1,1N2 + 4H 2O 2,7H2 + 0,75CO + 0,25CO 2 1,1N2 + 3,3H2O
representa una pérdida potencial de materia prima en la obtención de hidrógeno para la síntesis del amoniaco, siendo por otro lado un
En resumen, después de estas etapas la composición del gas resultante es aprox. N2 (12,7%),
una
(6,5%), CO2 (8,5%), CH4 (0,2%), H2O (40,5%), Ar (0,1%).
rendimiento energético, se requiere que la mayor parte de la reacción se lleve a cabo en la zona de exotérmica
se
de
la
fabricación
del
que
de síntesis representa el 1% del consumo energético total. Etapa de Conversión
A fin de obtener el máximo
ya
Dentro
amoniaco, la purificación del gas
H 2 (31,5%), CO
combustión,
veneno para el catalizador.
al
ser
reduce
el
combustible aportado. Para que
Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde se produce la reacción. CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ∆H = -9,838 kcal
∆G = -6,817 kcal
equipos, debido a que por
Reacción exotérmica en donde no
su elevado rendimiento, el
influye la presión. Esta reacción
tamaño de estos, es menor.
requiere de un catalizador que no
se desactive con el CO. Este tipo
disminuir, la cantidad de
ventajas:
inertes, se puede operar estar
entre 140 y 200 kg/cm2, con
favorecida por las bajas
la consiguiente reducción de
temperaturas.
la potencia de compresión.
exotérmica
y
Disminución de la cantidad de vapor necesario, con el consiguiente
ahorro
energético.
Menor presión de operación en la síntesis, pues al
de catálisis, ofrece las siguientes
Ser
Reducción del costo de los
Aumento de la conversión,
En
la
práctica
conversión
industrial,
del
monóxido
la de
carbono se efectúa en dos etapas. a. Aproximadamente a 400ºC
aumento
del
con
producido
por
catalizador. En esta primera
hidrocarburo,
etapa, se desprende una
pues al reducir el contenido
considerable cantidad de
de CO, se ahorra parte del
calor
hidrógeno que se consume
temperatura de los gases
en el metanizador. Teniendo
impidiendo una conversión
en cuenta estos factores,
elevada
por cada mol de monóxido
conversión). Por ello, los
de carbono que se convierte
gases convertidos se llevan
se ahorran cuatro moles de
a
hidrógeno.
recuperación de calor donde
es
decir,
hidrógeno unidad
de
Fe3O4.Cr 2O3
que
una
como
eleva
(75%
de
caldera
la
la
de
se enfrían y pasan a una segunda etapa. b. Aproximadamente a 225ºC con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento:
Cu-ZnO,
Etapa de Metanización También hay que eliminar el monóxido de carbono residual que es peligroso para el catalizador del reactor de síntesis.
prácticamente la conversión
Desde el punto de vista energético,
completa.
el proceso más interesante es la
Etapa de Eliminación del CO2
metanización catalítica, que no sólo elimina el CO, sino también el
El anhídrido carbónico, formado en
CO2 y el O 2 residual. Además las
las reacciones anteriores, tiene
reacciones
que eliminarse antes de pasar a la
exotérmicas:
son
fuertemente
etapa de compresión. El CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con carbonato potásico (K 2CO3) a contracorriente,
formándose
KHCO3 según CO3K2 + CO2 + H2O 2CO3HK
CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) ∆H = -49,217 kcal
CO(g) + 4H2(g)CH4(g) + 2H2O(g) ∆H = -113,500 kcal
∆H = -6,400 kcal
2H2(g) + O2 2H2O
Este se hace pasar por dos torres
∆H = 115,600 kcal
a baja presión para desorber el CO2, el bicarbonato pasa a carbón liberando CO2. (Subproducto para fabricación refrescantes).
de
bebidas
Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC). Síntesis del amoniaco
A continuación continuac ión el gas se comprime a
la
presión
de
200
Aproximadamente
atm.
se lleva al reactor donde tiene lugar la producción del amoníaco, sobre un lecho catalítico.
N2 y H2 se introducen de nuevo
(compresor
centrífugo con turbina de vapor) y
N2 (g) + 3H2 (g)
el
bucle
de
síntesis En el proceso anterior hay tres variables
que
optimizar
para
obtener un rendimiento idóneo y son:
2NH3 (g)
en
presión,
temperatura
y
actividad del catalizador. Estas
En un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un
influyen en la cinética y en el equilibrio de la reacción.
rendimiento del 14-15%. Por tanto,
El amoníaco se almacena en un
el gas de síntesis que no ha
tanque criogénico a -33ºC, el
reaccionado se recircula al reactor
amoníaco
que
se
pasando
(necesario
para
mantener
antes
por
dos
operaciones: a. Extracción
del
amoníaco una
condensación. de
inertes
mediante una purga, la acumulación de inertes es mala para el proceso. El gas de purga se conduce a la unidad de recuperación
Ar para comercializarse
CH4 se utiliza como fuente de energía
la
temperatura) se vuelve a introducir
mediante b. Eliminación
evapora
en el tanque.” [4]
2.5.- Método Haber-Bosch Según La Guía de Química. (2010) señala que: “El proceso de Haber, también llamado proceso de Haber Bosch,
consiste
en
hacer
reaccionar nitrógeno e hidrógeno gaseosos, para formar amoníaco. Este
proceso
tiene
gran
importancia a nivel industrial, ya que es el más usado para obtener amoníaco en grandes cantidades.
El proceso de Haber fue ideado
para formar amoníaco radica en
por el químico alemán Fritz Haber
que la
y comercializado en el año 1910
estable, gracias a sus enlaces
por
triples, y es químicamente bastante
Carlo
obtuvieron química
Bosch. premios
por
sus
Ambos Nobel
de
importantes
aportes a la ciencia y a la industria.
molécula de N2 es muy
inerte. La reacción se logra realizar con un rendimiento aceptable, bajo
En los primeros años del sigo
condiciones de alta presión y
veintes,
temperatura,
existían
una
gran
y
mediando
un
demanda de amoníaco, para ser
catalizador de hierro, potasio y
usado en la síntesis de fertilizantes
óxidos de aluminio.
y explosivos. La obtención de amoníaco de manera natural, a partir de las reservas de guano en Chile, no bastaban para satisfacer esta demanda. Por esta razón, muchos científicos se dedicaron a estudiar la manera de sintetizar
La reacción que ocurre en el proceso de Haber es la siguiente: N2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g) Esta reacción es exotérmica, es decir, se libera calor en el proceso.
amoníaco a partir del nitrógeno
El hidrógeno utilizado en este
ambiental, hasta que Haber dio
proceso se obtiene a partir de gas
con la solución, y Bosch ideó la
natural o metano, que hacemos
manera de sintetizar amoníaco a
reaccionar con el vapor del agua,
gran escala.
en la presencia de catalizadores,
El nitrógeno es un elemento muy abundante en la atmósfera, el aire que nos rodea está compuesto por un 78% de nitrógeno. La dificultad para combinarlo con hidrógeno
como por ejemplo el óxido de níquel. El hidrógeno obtenido se hace pasar por las camas de óxido de hierro, al mismo tiempo que el nitrógeno
proveniente
de
la
atmósfera.
Para
acelerar
la
reacción, se aumenta la presión (unas 500 atmósferas) y se eleva la temperatura a unos 500°C.
esta manera una recuperación del 98%. Actualmente amoníaco
la
mayoría
producido
a
del nivel
Al ser una reacción exotérmica, se
industrial utiliza este proceso. El
puede
la
amoníaco
el
mayormente en la síntesis de
rendimiento de la reacción, y
fertilizantes, llegando a producirse
efectivamente así es, pero como
más de 100 millones de toneladas
contrapartida,
de fertilizante al año.” [3]
pensar
temperatura
que
elevar
disminuye
la
velocidad
de
producido
se
utiliza
producción aumenta muchísimo, y es por esta razón que el proceso se
lleva
a
cabo
en
estas
condiciones. Para acelerar aún más el proceso, se va condensando el amoníaco formado, y se retira de la cámara. De esta manera, el equilibrio se desplaza acelerando
hacia la
la
derecha,
formación
de
producto.
Diagrama
del
Proceso
Haber-
Bosch
2.6.- Consumo energético La energía es imprescindible para la vida. Consumir energía se ha convertido
en
sinónimo
de
El rendimiento de la reacción en
actividad, de transformación y de
estas condiciones es del 15 o 20%,
progreso, hasta tal punto de que la
pero los gases que no han
tasa de consumo energético es
reaccionado
formar
hoy en día un indicador del grado
amoníaco, se vuelven a procesar,
de desarrollo económico de un
repetidas veces, obteniéndose de
estado. El consumo de energías
para
provenientes fósiles
de
(carbón
combustibles
aumentar eficacia y maximizar así
y
su
petróleo
beneficio.
La
industria
principalmente) durante el siglo XX
petroquímica promueve un gran
se ha incrementado tanto que se
consumo energético debido a sus
corre el riesgo de agotar estos
procesos
recursos,
productos.
y
ha
mostrado
la
necesidad de adecuar el consumo a las necesidades.
de
obtención
de
Según Prias Omar. (2012) señala que: “Los consumos específicos
La eficiencia energética o ahorro
son función, de las siguientes
de energía es una práctica que
variables: proceso de fabricación
tiene como esencia reducir el
empleado,
consumo de energía, lo cual más
producción,
específico seria el uso eficiente de
antigüedad de la instalación. En las
la
manera
grandes instalaciones, a partir de
optimizar los procesos productivos
600 ton/día, aparte del ahorro
y el empleo de la energía utilizando
energético debido a la economía
lo mismo o menos para producir
de escala, se pueden utilizar
más bienes y servicios. Dicho de
grandes reactores de flujo radial
otra manera, producir más con
por lo que disminuye la pérdida de
menos energía, por ejemplo los
carga y hace posible la sustitución
individuos y las organizaciones que
de los compresores alternativos
son consumidores directos de la
por
energía pueden reducir el consumo
rendimiento, empleándose turbinas
energético para disminuir costos y
de vapor para accionarlos. Esto
promover
queda reflejado en la tabla 1.
energía,
de
esta
sostenibilidad
económica, política y ambiental. Los
usuarios
comerciales
industriales pueden
y
desear
capacidad materia
centrífugos
de
prima,
de
y
mayor
En la Figura 1 se ha representado el porcentaje de energía que consume
cada
operación.
Se
puede apreciar que sólo dos operaciones:
reformado
2.7.- Producción industrial de
y
compresión, representan el 96% de la energía consumida.
Urea Según Textos Científicos. (2005) señala que: “La síntesis de urea a
Figura 1. Porcentaje de energía
nivel industrial se realiza a partir de
Consumida por Operación.
amoníaco (NH3) líquido y anhídrido carbónico
(CO2)
gaseoso.
La
reacción 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 Tabla 1. Consumos específicos en
carbamato se deshidrata para
función de la materia prima y de la
formar urea.
capacidad de producción. Proceso Surge un problema dado que las
de Reformado con Vapor.
velocidades de las reacciones son CAPACID AD PRODUC CION ton NH3 / DÍA
100 100 300 300 600 600 1.000 1.000
” [4]
MATE RIA PRIMA
CON. ENER. TER. M. PRIMA + COMB. TEP/ton NH3
C. ELECTR ICO kWh/ ton NH3
0,7445 6 0,8242 5 0,7289
683,57 716,648
0,819
683,57
Gas Natural Nafta
0,8200
27,56
0,945
33,076
Gas Natural Nafta
0,807
22,050
0,9345
27,56
Gas Natural Nafta Gas Natural Nafta
EP. ELÉCT RICA TEP / ton NH3
EP. TOT AL TEP / ton NH3
diferentes. La primera etapa es mucho más rápida que la segunda, con
661,52
0,168 8 0,177 0 0,163 3 0,168 8 0,006 8 0,008 1 0,005 4 0,006 8
0,9133 1,0012 0,8922 0,9878 0,8268 0,9531 0,8124 0,9413
lo
cual
el
carbamato
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 carbamato es un producto altamente corrosivo, por lo cual lo que se hace es degradar la parte de carbamato no
convertida a urea en sus reactivos
de origen, y luego volver a formarlo.
Degradación del carbamato y reciclado.
Síntesis de urea
Deshidratación,
concentración y granulación
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. Según lo expuesto, el proceso completo de producción de la urea puede separarse en las siguientes etapas.
Obtención de CO2
Obtención de amoníaco
Formación de carbamato
Diagrama del proceso completo de producción de la urea Obtención de CO 2
El CO2 se obtiene a partir de gas
posterior obtención del amoníaco.
natural,
La reacción es la siguiente
mediante
la
reacción
conocida como reforming. Antes
del
reforming,
2CH4 + 3H2O CO + CO 2 + 7H2 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.
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% CO 2, 23% N2 y menos de 0,5% CH 4. 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
H2 usando
hierro y cobre como catalizadores. Luego de purificar el gas, se
Del gas resultante se separa el
procede
de
CO2 mediante una solución de
de
mono
a
la
CO2 mediante
obtención
dos
etapas
reforming catalítico con vapor de
etanol
MEA (CO2) MEA + CO2
reacción, la cual es endotérmica, proviene de la combustión del gas
Compresión
natural y de los gases parcialmente
carbónico
reactor para obtener la relación necesaria
de
H2/N2 para
la
(MEA),
mediante la siguiente reacción:
agua. El calor necesario para la
reformados. Se deja entrar aire al
amina
del
anhídrido
El dióxido resultante es enviado a dos
etapas
sucesivas
de
compresión en las cuáles se eleva
de hierro para formar amoníaco en
la
estado gaseoso según:
presión
a
160
atmósferas
absolutas. Al dióxido se le agregan pequeñas
cantidades
de
aire
pasivante para inhibir la acción
7H4 + 10H2O + 8N2 + 2O2
16NH3 + 7CO2 El amoníaco gaseoso se condensa
corrosiva.
por enfriamiento y se separa del
Obtención de amoníaco
gas para almacenarlo a presión de
El otro reactivo necesario para la
unas 13 atmósferas. El amoníaco
producción
gaseoso remanente es recirculado
de
urea
es
el
amoníaco. Éste se obtiene a partir
al loop de síntesis.
del gas reformado 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
Formación del carbamato
síntesis del amoníaco
La reacción de síntesis de Urea se
CO + 3H 2 CH4 + H2O CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O Luego de la metanación, el gas
lleva a cabo a altas presiones (200 bar) y el nivel térmico óptimo (190°C) en un reactor construido en acero inoxidable especial.
circulante se compone de aire,
La reacción se produce entre el
metano y vapor de agua, los
amoníaco, el CO 2 y la solución
cuales reaccionan con catalizador
reciclada
de
carbamato,
proveniente
de
la
etapa
de
absorción.
para formar Urea en relación a la cantidad total que ingresa al
El carbamato de amonio se forma a partir de CO 2 y NH3 según la siguiente reacción (esta reacción genera calor):
reactor se denomina conversión. La conversión de Carbamato en Urea en el reactor está en el orden de 70%. Es decir que de cada 100 Kg de carbamato que se forman,
–COONH4 (l) 2NH3(g) + CO2(g) NH2 –
sólo 70 Kg pasan a Urea. El resto
∆H= -117 kJ/mol
debe reciclarse permanentemente
Amoniaco + Gas Carbónico
y en forma continua al reactor para
Carbamato de Amonio
lograr una conversión total.
Antes de ingresar al reactor, el
Como
CO2 es comprimido comprimido hasta hasta 200 atm,
mediante
un
compresor
habíamos
visto,
el
carbamato se forma mucho más rápido
que
la
urea.
Al
ser
eléctrico y el amoníaco hasta 145
altamente corrosivo, su manejo es
atm.
muy difícil. Por ésta razón, lo que se hace es degradarlo nuevamente
El NH3 y el CO 2 reaccionan rápida
a NH3 y CO2 para luego volver a
y exotérmicamente, en una primera
formarlo.
etapa, para formar el carbamato, que luego se deshidrata a urea +
La reacción de descomposición:
agua. Esta reacción logra cerca del
NH2 – COONH4(l) 2NH3(g) +
100% en condiciones normales.
CO2(g)
Descomposición del carbamato.
Se logra de dos formas:
No todo el Carbamato de Amonio
Bajando la presión y temperatura,
se descompone en Urea y Agua.
se desplaza el equilibrio hacia los
La fracción que se descompone
reactivos.
Luego
la
mezcla
gaseosa se vuelve a comprimir
Como se ve, la reacción es
causando su recombinación. Si
endotérmica, y habíamos dicho
hay amoníaco en exceso, este se
que es mucho más lenta que la de
separa en forma gaseosa de la
producción
solución
Para
cinética de la reacción aumenta
disminuir los costos totales de la
con la temperatura, con una mayor
recompresión, esta se realiza en
relación NH3/CO2 y disminuye con
dos etapas.
una mayor presencia de agua.
La otra forma es mediante el
La producción de la Urea se realiza
stripping
en un reactor vertical, que opera a
de
carbamato.
del
amoníaco,
carbamato.
188
productos. Al bajar la presión
Kgf/cm2 absoluta, una relación N/C
parcial del reactivo, el sistema
de 3,6 – 3,8, un tiempo de
evoluciona
equilibrio
residencia de alrededor de 45
degradando el carbamato. Esta
minutos y un grado de conversión
forma tiene la ventaja de poder
(en un paso) del 65 – 70 %.
su
hacerse a la presión de síntesis, lo que
reduce
el
costo
de
recompresión. Síntesis de urea El carbamato se deshidrata a urea mediante la reacción: NH2 –COONH4 (l) NH2 –CO – NH2 (l) + H 2O (l) ∆H= +15.5 kJ/mol
Esta
190ºC
operación
y
La
desplazando la reacción hacia
hacia
–
de
combina
160
la
formación de carbamato (exot., rápida) en su parte inferior, por la alimentación de CO 2 y NH3 en exceso y la descomposición del carbamato 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
aplicación
2NH2 –CO – NH2
NH2 –CO –
NH –CO – NH2 + NH3 Se
trata
de
concentrador de vacío mediante la de
externo
utilizando vapor de agua. Esta corriente se denomina Urea de Síntesis, y es bombeada hacia la
una
sustancia
altamente tóxica para las plantas, por lo cual su concentración en la
unidad de Evaporación. Evaporación
urea debe ser muy baja, menor al
La
0.4%.
Concentrador
Para
calor
lograr
bajas
corriente
proveniente se
del sigue
concentraciones se usa un exceso
concentrado en dos etapas de
de amoníaco en la síntesis de
Evaporación, la primera de ellas
urea.
(se
concentra
hasta
95
%)
operando a 0.3 Kg/cm 2 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.
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
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
2.8.- Fertilizantes y sus
Urea.
aplicaciones
Granulación
Los fertilizantes o abonos son
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).
sustancias
de
origen
animal,
mineral, vegetal o sintético, que contienen
gran
cantidad
nutrientes
y
utilizan
se
enriquecer
y
de para
mejorar
características físicas, químicas y
La Urea fundida es bombeada a la
biológicas del suelo o sustrato; así
parte superior de la torre de 80 mts
las plantas se desarrollarán mejor.
de altura y 16 mts de diámetro.
La mayoría de los fertilizantes en el
Mediante un canasto giratorio con
mercado
unas 6000 pequeñas perforaciones
industria petroquímica como por
se logra obtener una lluvia de Urea
ejemplo fosfato diamónico, sulfato
fundida,
de potasio, sulfato de amonio,
cuyas
gotas
se
van
los
proporciona
la
solidificando primero y enfriando
borato,
luego durante su caída libre, a la
principalmente la urea es uno de
vez que se hace circular aire en
los fertilizantes más usados por
sentido contrario mediante grandes
sus propiedades.
ventiladores ubicados en la parte superior de la torre.
urea
entre
otros,
Según QuimiNet (2007) señala que: “El 90% de la urea producida
Se obtiene de este modo el
se emplea como fertilizante. Se
producto final, a unos 40 – 50 °C
aplica al suelo y provee nitrógeno a
de
es
la planta. También se utiliza la urea
transportado mediante elevadores
de bajo contenido de biuret (menor
y cintas a los silos de almacenaje.”
al 0.03%) como fertilizante de uso
[6]
foliar. Se disuelve en agua y se
temperatura,
el
cual
aplica a las hojas de las plantas,
suelo. Si ésta es aplicada en la
sobre todo frutales, cítricos.
superficie, o si no se incorpora al
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 cuáles absorben la luz para la fotosíntesis. Además
suelo,
ya
sea
aplicación, amoníaco
por
lluvia se
o
correcta riego,
vaporiza
y
el 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.
el nitrógeno está presente en las
Fertilización foliar La fertilización
vitaminas
se
foliar es una antigua práctica, pero
relaciona con el contenido proteico
en general se aplican cantidades
de los cereales
relativamente exiguas con relación
y
proteínas,
y
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 cuál 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.
a las de suelo, en particular de macronutrientes.
Sin
varios
embargo
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
realizados
fruta.
Estudios
en
Tucumán
demuestran que las aplicaciones foliares
de
urea
en
bajas
Debe tenerse mucho cuidado en la
cantidades resultan tan efectivas
correcta aplicación de la urea al
como las aplicaciones al suelo.
Esto convalida la práctica de
de un átomo de nitrógeno y
aplicar fertilizantes junto con las
tres de hidrógeno.
aplicaciones de otros agroquímicos como
el
derivado
más
importante del nitrógeno y
programa de fertilización eficiente .”
es el camino para hacerlo
[5]
activo. urea
como
de
Es
un
La
complemento
producto
del
proporción
de
esta
se
hidroliza
el nitrógeno y el hidrógeno
urea se
gaseosos.
amoniaco
de nitrógeno este compuesto es
emplea
de Gas
El reformado con vapor es un método para la obtención
está directamente relacionado con
de hidrógeno a partir de
la proporción de vitaminas y
hidrocarburos,
proteínas que requieren las plantas
y
en
particular gas natural.
y a su vez incumbe con el
Este proceso requiere de una
3.- CONCLUSIONES.
mundial
natural como materia prima.
absorbido por el tallo y las hojas
contenido proteico de los cereales.
Un alto porcentaje de la la producción
descompone y libera las moléculas
de la planta, el nitrógeno provee
el
en la reacción directa entre
principalmente se aplica al suelo donde
por
Bosh). El proceso consiste
para que las plantas desarrollen la
obtiene
Bosh (Fritz Haber y Carl
donde este elemento es el indicado metabolismo,
se
método denominado Haber-
grupos
aminos específicamente nitrógeno
su
NH3
exclusivamente
amoniaco la cual posee una enorme
El
gran
cantidad
de
energía para realizar el reformado y en el caso de
El amoniaco es un gas
formado por la combinación
algunos combustibles, se
necesita una remoción de contenidos de azufre y otras
4.-BIBLIOGRAFIAS.
impurezas.
A partir de amoníaco (NH3) líquido
y
anhídrido
http://www.ecured.cu/index.
se obtiene urea de forma
php/Carbamida#Propiedade
industrial.
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concentración y granulación
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Proceso
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La utilización de fertilizantes
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plantaciones
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fuertes
sobrellevarse.
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y
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NH3 = Amoniaco
https://books.google.co.ve/b
H2O = Agua
ooks?id=ZGoe8YJcEYQC&
°C = Grados Celsius
KJ/mol = kilojulio por mol,
pg=PA29&lpg=PA29&dq=la s+materias+primas+necesar ias+para+la+s%C3%ADntes is+de+amoniaco&source=bl
unidad derivada del SI
correspondiente a energía
H2S = Ácido Sulfhídrico.
por cantidad de materia.
CO2 = Dióxido de Carbono.
g/m3 = kilogramo por metro
mts = metros, unidad de
cúbico es la unidad del SI
medida en el SI empleada
empleada para medir la
para medir longitud.
densidad.
NiO = Oxido de Níquel.
NCl3 = Cloruro de Nitrógeno.
N2 = Nitrógeno molecular.
N2H4CO = Urea
O2 = Oxigeno Molecular.
NH2-CO-NH2 = Formula
Ar = Argón.
∆H = Entalpia.
∆G = Energía de Gibbs.
Kcal = Kilocaloría, unidad de
semidesarrollada de la Urea. -1
g.mol = kilogramo por mol,
unidad de medida en el SI
energía del Sistema Técnico
empleada para medir la
de Unidades, basada en el
masa molar.
calor específico.
J/g = Joule por gramos,
Kg/cm2 = Kilogramos por
unidad empleada para medir
centímetros cuadrado,
la entalpia de fusión.
unidad de medida de la
CO = Monóxido de
presión.
Carbono.
H2 = Hidrogeno molecular.
C = Carbono.
H = Hidrogeno.
Km = Kilómetros, unidad de medida en el SI empleada para medir longitud.
CH4 = Metano.
R-SH = Tiol.
Fe3O4 = Tetróxido de Trihierro.
Cr 2O3 = Óxido de cromo (III).
Cu = Cobre.
ZnO = Óxido de Zinc.
K2CO3 = Carbonato de Potasio.
KHCO3 = Bicarbonato de
Potasio.
mm = Milímetro, es una unidad de longitud.
Ni = Níquel.
O = Oxigeno
atm = Atmosfera, unidad de
% = Por ciento
presión equivale a la presión
N = Nitrógeno
que ejerce la atmósfera terrestre al nivel del mar.
Ton/día = Toneladas por días.
bar = unidad de presión equivalente a un millón de barias, aproximadamente igual a una atmósfera (1 atm).
NH2-COONH4 = Formula semidesarrollada del Carbamato de amonio.
Kg = Kilogramo, unidad básica de masa del Sistema Internacional de Unidades (SI).
Kgf/cm 2 = kilogramo-fuerza
por centímetro cuadrado, unidad de presión utilizando unidades métricas.
NH2-CO-NH-CO-NH2 = Formula semidesarrollada de Biuret.
