Produccion De Urea, Usos Y Aplicaciones
gordolugones14 de Junio de 2014
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1. Introduccion
El objetivo del presente trabajo practico es realizar un analisis del proceso de
produccion industrial de Urea. La sintesis de urea a nivel industrial se realiza a partir de
amoniaco (NH3) liquido y anhidrido carbonico (CO2) gaseoso, un subproducto del
amoniaco, es por eso ambas plantas se suelen instalar en zonas aledanas.
2. Descripcion del proceso
La Urea hoy es un derivado del amoniaco. Su principal uso es como fertilizante de suelos
(aporta nitrogeno necesario para el crecimiento de plantas). Otros usos menos
frecuentes son como suplemento alimentario para ganado, produccion de resinas,
plasticos, tintas, etc.
Tambien es posible la obtencion de Urea a partir de biomasa, sin duda y a simple vista
trae aparejada grandes ventajas, tanto sociales y ambientales, que incentivan a la
investigacion del proceso y abre las puertas al futuro. Sin embargo hoy sus desventajas
inclinan la balanza.
Su produccion no puede alcanzar en la actualidad el nivel industrial (120.000 TM en el
ano). La biomasa se encuentra distribuida por todo el territorio. No existe costumbre de
clasificacion de los residuos. Se requiere establecer y desarrollar un sistema de
recoleccion de residuos, transporte y almacenamiento de los mismos. La biomasa no
presenta un tamano homogeneo, lo que implica un agregado en el procesamiento. En
la actualidad no existen plantas que produzcan urea con biomasa pero si existen
procesos que producen gas de sintesis usando biomasa.
Obtencion de Amoniaco
El Amoniaco (NH3) es un gas a 1 atmosfera y 20‹C y se lo utiliza principalmente como
materia prima no solo para fertilizantes, sino tambien para detergentes, pinturas,
productos de limpieza, explosivos y acido nitrico. Se obtiene industrialmente a partir del
proceso Haber-Bosch, donde reaccionan directamente H2 y N2 gaseosos. El N2 se
obtiene directamente del aire, mientras que el H2 se obtiene mediante electrolisis
(proceso que resulta muy caro) o a partir de materia hidrocarbonada: Gas Natural,
Naftas, Fuel Oil y Carbon. La eleccion de la materia prima dependera de cada caso en
particular (presupuesto, cercania con respecto al lugar de explotacion), pero debe
tenerse en cuenta que la obtencion del H2 varia segun la eleccion:
E Gas Natural (GN) y Naftas ligeras Reformado catalitico con Vapor (Proceso
elegido y expuesto en detalle)
E Fuel Oil Oxidacion Parcial
1
1
2
.
2
En este caso la proporcion de hidrogeno es menor que cuando se emplea vapor
de agua.
E Carbon Gasificacion
El gas de sintesis obtenido a partir de carbon incandescente a traves del cual
circula vapor de agua se denomina gas de agua:
.
31.4
Esta reaccion es fuertemente endotermica. Dado que el carbon por esta causa
se enfria, se envia una corriente mezcla de oxigeno con vapor de agua. El
oxigeno con el carbon reacciona produciendo calor:
1
2
.
26.6
De la combinacion de estas 2 reacciones es posible mantener la temperatura
adecuada para que un reactor funcione continuamente.
La reformacion de gas natural con vapor de agua es el proceso mas utilizado. En paises
donde no hay gas natural, se recurre a la gasificacion del carbon con vapor de agua, o
bien a la reformacion de hidrocarburos livianos que se encuentran comprendidos en el
rango entre gaseosos y otros liquidos con punto de ebullicion no mayor a 220‹C. La
Argentina tiene historia con el GN debido a sus reservas y el NH3 es producido en su
totalidad con GN, que es actualmente la ruta habitual para la produccion de hidrogeno,
ya que su cinetica es mas rapida, la descomposicion no requiere aditivos y el hidrogeno
generado esta libre de CO.
La reaccion global del proceso de obtencion de amoniaco es:
2.1.- Produccion de H2
2.1.1.- Desulfuracion:
El GN contiene compuestos sulfurosos que danan al catalizador del cracking (Ni).
Dos metodos pueden utilizarse:
a) Carbon Activado: adsorbe el H2S, pero no COS. Adsorbe tambien hidrocarburos
pesados, disminuyendo su rendimiento y quitandole al gas poder calorifico. Requiere
regeneracion con vapor, que culmina en la emision de SOx, H2S, hidrocarburos y CO.
b) Oxido de Zinc (T=400‹C)
No requiere regeneracion (no hay emisiones) y no le quita poder calorifico al gas ya que
no elimina los compuestos mas pesados.
2.1.2.- Reformado Catalitico con Vapor:
El GN caliente se mezcla con vapor sobrecalentado Craqueo catalitico (T=770‹C,
catalizador de Ni para favorecer la produccion de H2):
El Reformador requiere de vapor que es generado en una caldera (gracias a la
combustion de GN o fuel oil, depende de lo que se disponga)
2.2.- Adicion de N2
El gas de sintesis se mezcla con aire (con una relacion H2:N2=3:1) en el reformador
secundario
Ademas, tiene lugar la combustion del metano alcanzandose temperaturas superiores
a 1000oC.
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O AH<< 0
En resumen, despues de estas etapas la composicion del gas resultante es aprox. N2
(12,7%), H2 (31,5%), CO (6,5%), CO2 (8,5%), CH4 (0,2%), H2O (40,5%), Ar (0,1%). ¨
conversion 99% de hidrocarburo
Dado que el catalizador utilizado para formar amoniaco (Haber-Bosh) es hierro
elemental (Fe), deben removerse agua, CO y CO2 para evitar danos al catalizador.
2.3.- Remocion de CO (gWater Gas Shifth)
Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en CO2
por reaccion con vapor de agua, CO + H2O . CO2 + H2 ĢH = -41 kj/mol.
Esta reaccion requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La reaccion se
lleva a cabo en dos pasos,
a) A aprox. 400oC con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador ¨ 75% de la conversion.
b) A aprox. 225oC con un catalizador mas activo y mas resistente al envenenamiento:
Cu-ZnO ¨ pracOcamente la conversion completa
2.4.- Remocion de CO2
Seguidamente el CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorcion con
K2CO3 a contracorriente, formandose KHCO3 segun
K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3
Este se hace pasar por dos torres a baja presion para desorber el CO2, el bicarbonato
pasa a carbon liberando CO2. (Subproducto para fabricacion de bebidas refrescantes o
la MEA).
2.5.- Metanizacion:
Los vestigios que quedan de CO2 o CO no convertidos en el paso 3, que son peligrosas
para el catalizador del reactor de sintesis, son convertidos en CH4:
Los gases se enfrian nuevamente a 40‹C, el agua condensa y se elimina (el agua es
llevada a la torre de stripping).
Proceso sobre lecho catalitico de Ni (300oC).
2.6.- Sintesis de Amoniaco: proceso Haber-Bosch
Asi se obtiene un gas de sintesis con restos de CH4 y Ar que actuan como inertes. A
continuacion el gas se comprime a la presion de 200 atm. Aproximadamente
(compresor centrifugo con turbina de vapor) y se lleva al reactor donde tiene lugar la
produccion del amoniaco, sobre un lecho catalitico de Fe.
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
En un solo paso por el reactor la reaccion es muy incompleta con un rendimiento del
14-15%. Por tanto, el gas de sintesis que no ha reaccionado se recircula al reactor
pasando antes por dos operaciones,
a) extraccion del amoniaco mediante una condensacion.
b) eliminacion de inertes mediante una purga, la acumulacion de inertes es mala para
el proceso.
El gas de purga se conduce a la unidad de recuperacion:
Ar para comercializarse.
CH4 se utiliza como fuente de energia.
N2 y H2 se introducen de nuevo en el bucle de sintesis.
El amoniaco se almacena en un tanque criogenico a -33oC, el amoniaco que se evapora
(necesario para mantener la temperatura) se vuelve a introducir en el tanque.
Grafico N‹2: Compresion y sintesis del amoniaco
Obtencion de Urea
2.1.- Formacion del carbamato
La reaccion de sintesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones (200 bar) y el nivel
termico optimo (190aC) en un reactor construido en acero inoxidable especial.
La reaccion se produce entre el amoniaco, el CO2 y la solucion reciclada de carbamato,
proveniente de la etapa de absorcion.
El carbamato de amonio se forma a partir de CO2 y NH3 segun la siguiente reaccion
(esta reaccion genera calor):
2NH3 (g) + CO2 (g) NH2 . COONH4(l) ĢH= -117 kJ/mol
Amoniaco + Gas Carbonico Carbamato de Amonio
Antes de ingresar al reactor, el CO2 es comprimido hasta 200 atm, mediante un
compresor electrico y el amoniaco hasta 145 atm.
El NH3 y el CO2 reaccionan rapida y exotermicamente, en una primera etapa, para
formar el carbamato, que luego se deshidrata a urea + agua. Esta reaccion logra cerca
del 100% en condiciones normales.
2.2.-Descomposicion del carbamato.
No todo el Carbamato de Amonio se descompone en Urea y Agua. La fraccion que se
descompone para formar Urea en relacion
...