INFORME Amoniaco y Urea
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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. Ni la electricidad, ni el binomio informática-Internet, ni siquiera la televisión. Lo que realmente cambió la marcha del siglo XX fue el amoniaco. Es lo que defienden algunos científicos hoy día, es un compuesto de tres átomos de hidrógeno y uno de nitrógeno. Como fertilizante, ha sostenido la alimentación de miles de millones de personas y no especialmente como fertilizante se emplea el NH3, la lista de aplicaciones del amoniaco es enorme: tintes para textiles, nuevos materiales como el nylon, alimentación del ganado estabulado, los primeros refrigeradores y aires acondicionados, pinturas, productos de limpieza, extracción mineral etc. El amoniaco es la forma de nitrógeno más vendida debido a que este compuesto es el más importante del planeta, necesario para la vida. El amoniaco es un compuesto químico el cual consiste en un
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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.
Ni la electricidad, ni el binomio
informática-Internet, ni siquiera la
televisión. Lo que realmente
cambió la marcha del siglo XX fue
el amoniaco. Es lo que defienden
algunos científicos hoy día, es un
compuesto de tres átomos de
hidrógeno y uno de nitrógeno.
Como fertilizante, ha sostenido la
alimentación de miles de millones
de personas y no especialmente
como fertilizante se emplea el
NH3, la lista de aplicaciones del
amoniaco es enorme: tintes para
textiles, nuevos materiales como el
nylon, alimentación del ganado
estabulado, los primeros
refrigeradores y aires
acondicionados, pinturas,
productos de limpieza, extracción
mineral etc. El amoniaco es la
forma de nitrógeno más vendida
debido a que este compuesto es el
más importante del planeta,
necesario para la vida.
El amoniaco es un compuesto
químico el cual consiste en un
átomo de nitrógeno y tres átomos
de hidrogeno siendo de esta
manera más ligero que el aire y el
derivado más importante del
nitrógeno. Cuando se habla a nivel
industrial del amoniaco en cuanto a
su formación sintética por la unión
directa de los elementos según el
químico alemán Fritz Haber, un
proceso por el que obtenía NH3 de
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
Carl Bosch permitió la
independencia agrícola, hoy día
este proceso es denominado
Haber-Bosch y uno de los más
usados para la obtención de
amoniaco.
Existen numerosos métodos en la
síntesis actual del amoniaco, pero
todos ellos derivan del proceso
Haber-Bosch original. Las
modificaciones más importantes
están relacionadas con la fuente
de gas de síntesis la cual forma la
mayor parte de la producción
empleada por procesos de
reformado con vapor el cual utiliza
como materia prima el gas natural,
naftas ligeras o pesadas.
En la planta petroquímica una de
las materias primas principales
para la obtención de NH3 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 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
CO2., obtención de amoníaco,
formación de carbamato,
degradación del carbamato y
reciclado, síntesis de urea,
deshidratación, concentración y
granulación.
La urea es 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 carbamato.
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.
2.-MARCO TEORICO.
2.1.- Amoniaco
Según Wikipedia (2015) señala
que: “El amoníaco, amoniaco,
azano, espíritu de Hartshorn o gas
de amonio es un compuesto
químico de nitrógeno con la
fórmula química NH3. Es un gas
incoloro con un característico olor
acre. El amoníaco contribuye
significativamente 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
síntesis de muchos fármacos y
también es usado en diversos
productos comerciales de limpieza.
Pese a su gran uso, el amoníaco
es cáustico y peligroso. La
producción industrial del amoníaco
del 2012 se anticipó a ser 198 000
000 toneladas, siendo un 35% de
incremento con respecto al año
2006, con 146 500 000 toneladas.
NH3 ebulle a los -33.34 °C con una
presión de una atmósfera, esto
ayuda a que se pueda conservarlo
en estado líquido bajo presión con
bajas temperaturas. El amoníaco
casero o Hidróxido de amoníaco es
una solución de NH3 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
concentraciones altas del producto
comercial.” [8]
2.1.1.- Propiedades
Según Wikipedia (2015) señala
que: “El amoníaco es un gas
incoloro con un olor desagradable.
Es más ligero que el aire, su
densidad es 0.589 veces que el de
el aire de la atmósfera. Es
fácilmente condensado por sus
fuertes puentes de hidrógeno entre
las moléculas; el líquido ebulle a -
33.3 °C y se congela a los -77.7 °C
en cristales blancos.
El amoníaco se puede desodorizar
fácilmente reaccionando con
bicarbonato de sodio o ácido
acético. Ambas reacciones forman
sales de amoníaco sin olor.
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
fuertes fuerzas ionizantes
reflejando su alta constante
dieléctrica de 22. El amoníaco
líquido tiene una muy alta entalpía
de vaporización (23.35 kJ/mol, cf.
agua 40.65 kJ/mol, metano 8.19
kJ/mol, fosfina 14.6 kJ/mol) y
puede ser usado en laboratorios en
vasos no aislados sin refrigeración.
Propiedades disolventes
El amoníaco es miscible con agua.
En una solución acuosa, puede
salir con ebullición. La solución
acuosa de amoníaco es una base.
La concentración máxima de
amoníaco en agua tiene una
densidad de 0.880 g/cm3 y es
frecuentemente sabido como
'amoníaco 0.880'. El amoníaco no
se quema ni sostiene combustión,
excepto bajo estrechas mezclas de
combustible de 15 a 25% de aire.
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. La
combustión ocurre cuando la
clorina pasa a amonio, formando
nitrógeno y cloruro de hidrógeno; si
la clorina está en exceso, se forma
el explosivo tricloruro de nitrógeno
(NCl3).” [8]
2.2.- Urea
Según FONAIAP (1995) señala
que: “La urea es un compuesto
nitrogenado no proteico, cristalino
y sin color, identificado con la
fórmula N2H4CO, elaborada en
plantas químicas que producen
amoniaco anhidro cuando fijan el
nitrógeno del aire a presiones y
temperaturas altas. Además de
suplemento proteico en los
rumiantes, la urea es utilizada
como fertilizante agrícola y en la
elaboración 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
metabolismo de nitrógeno en casi
todos los mamíferos, incluso en el
hombre. La urea es muy soluble en
agua e higroscópica, facilitando la
formación de terrones cuando es
expuesta al medio ambiente.
Debido a su costo, disponibilidad
en el mercado y tradición de uso
en la alimentación de rumiantes
por muchos países alrededor del
mundo, la urea es la más utilizada
entre los compuestos nitrogenátios
no proteicos (biureta, fosfato
diamónico, acetato de amonio,
sulfato de amonio y otros). La urea
contiene aproximadamente 46% de
nitrógeno, representando 287,50%
de proteína equivalente total.” [2]
2.2.1.- Propiedades
La urea uno de los fertilizantes con
una diversidad de propiedades
fisicoquímicas, según QuimiNet
(2007):”
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 fusión:
132.7 ºC
Calor de fusión: 24.18J/g
Calor de combustión: 10590
J/g
Calor de disolución en agua:
241.8 J/g
Tiene un carácter ácido,
siendo necesarios 84 partes
de carbonato de calcio para
neutralizar el efecto
acidificante de 100 partes
de urea.
Es altamente corrosiva al
acero al carbono, poco
corrosiva al aluminio, cinc y
cobre y no a aceros
especiales y el vidrio. Es
muy soluble 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
primas que puedan dar lugar a la
mezcla CO/H2: gas natural, nafta,
fuel-oil y carbón. Los costes de
inversión en una instalación para la
misma capacidad de producción de
amoniaco, empleando estas cuatro
materias primas, expresados en
unidades relativas, son: gas
natural, 1; nafta, 1.09; fue-oil, 1,51;
y carbón, 1,87. Como puede
observarse, la menor inversión
corresponde al gas natural: En la
tabla 1 se indican los costes de
producción de NH3 a partir de
diversas materias primas y
diferentes capacidades. Se puede
apreciar las ventajas del efecto de
escala (González Velasco et al.,
1990).
Gracias a su relación C/H muy
favorable, a la ausencia de azufre
(veneno para los catalizadores) y a
su poder calorífico elevado, el
metano es una materia prima
privilegiada para la producción de
amoniaco. Se estima que es más
ventajoso producir NH3 a partir de
metano importado por mar desde
un yacimiento ubicado a 10000 km
de distancia que fabricarlo a partir
de un carbón extraído y gasificado
en el lugar.
Una unidad de amoniaco que
utiliza carbón consume un 50%
más de calorías y el coste de
inversión es dos veces superior al
de una instalación a base de gas
natural de igual capacidad.
Otras materias primas como LPG,
nafta, residuos petrolíferos e
incluso madera, así como
hidrogeno electrolítico, se utilizan
también para fabricar NH3. Sin
embargo, se estima que aun las
cargas ligeras como LPG o nafta
presentan, en relación al metano,
una desventaja energética del 5 a
10%. Actualmente solo Europa
tiene, por razones históricas, una
parte no despreciable de su
capacidad de producción (del
orden del 20%) basada en
materias primas distintas al
metano. En cambio en el resto del
mundo, el 95% de la producción de
NH3 utiliza el gas natural como
materia prima. En definitiva,
considerando los aspectos
energéticos, ambientales y
económicos, es recomendable
producir amoniaco a partir del gas
natural, empleando el proceso de
reformado catalítico con vapor con
las últimas innovaciones
tecnológicas.” [7]
El amoniaco producido a nivel
industrial se adquiere
principalmente del gas de síntesis
donde son utilizados procesos de
obtención de NH3 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
materias primas señaladas posee
sus ventajas y desventajas para la
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
el gas natural ya que a este al
aplicarle el proceso de
transformación es mucho más
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 a los
catalizadores empleados para
elaboración del amoniaco.
2.4.- Procesos Industriales
(Steam Reforming).
Según Prias Omar. (2012): “Se
parte del gas natural constituido
por una mezcla de hidrocarburos
siendo el 90% metano (CH4) 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
azufre que actúan reduciendo la
vida del catalizador.
R-SH + H2
RH + H2S
Hidrogenación
H2S + ZnO H2O + ZnO
Adsorción
Reformado con Vapor
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.
Reformador Primario
El gas junto con el vapor se hace
pasar por el interior de los tubos
del equipo donde tiene lugar las
reacciones siguientes
CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2
La reacción global es fuertemente
endotérmica, y para conseguir un
alto porcentaje de reformado hay
que operar a temperaturas
superiores a 700ºC. A fin de
alcanzar estas temperaturas, la
reacción se verifica en un horno
donde se quema combustible,
circulando los reaccionantes dentro
de unos tubos rellenos de
catalizador (óxido de Níquel (NiO)),
así se favorece la formación de H2.
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.
Las reacciones que tienen lugar
son:
Reacción de combustión
0,275 O2 + 1,1N2 + 0,4H2 +
0,15CO 0,4H2O + 0,15CO2 +
1,1N2
Reacción de reformado
0,2CH4 + 0,2CO2 + 0,2H2 +
0,2H2O 0,4CO + 0,6H2 +
0,2H2O
Reacción global
CH4 + O,270 O2 + 1,1N2 + 4H2O
2,7H2 + 0,75CO + 0,25CO2 1,1N2 +
3,3H2O
En resumen, después de estas
etapas la composición 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%).
A fin de obtener el máximo
rendimiento energético, se requiere
que la mayor parte de la reacción
se lleve a cabo en la zona de
combustión, ya que al ser
exotérmica se reduce el
combustible aportado. Para que
esto ocurra es necesario
precalentar el aire a una
temperatura del orden de 600°C.
Purificación del gas de síntesis
Los 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
representa una pérdida potencial
de materia prima en la obtención
de hidrógeno para la síntesis del
amoniaco, siendo por otro lado un
veneno para el catalizador.
Dentro de la fabricación del
amoniaco, la purificación del gas
de síntesis representa el 1% del
consumo energético total.
Etapa de Conversión
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
Reacción exotérmica en donde no
influye la presión. Esta reacción
requiere de un catalizador que no
se desactive con el CO. Este tipo
de catálisis, ofrece las siguientes
ventajas:
Ser exotérmica y estar
favorecida por las bajas
temperaturas.
Disminución de la cantidad
de vapor necesario, con el
consiguiente ahorro
energético.
Aumento de la conversión,
es decir, aumento del
hidrógeno producido por
unidad de hidrocarburo,
pues al reducir el contenido
de CO, se ahorra parte del
hidrógeno que se consume
en el metanizador. Teniendo
en cuenta estos factores,
por cada mol de monóxido
de carbono que se convierte
se ahorran cuatro moles de
hidrógeno.
Reducción del costo de los
equipos, debido a que por
su elevado rendimiento, el
tamaño de estos, es menor.
Menor presión de operación
en la síntesis, pues al
disminuir, la cantidad de
inertes, se puede operar
entre 140 y 200 kg/cm2, con
la consiguiente reducción de
la potencia de compresión.
En la práctica industrial, la
conversión del monóxido de
carbono se efectúa en dos etapas.
a. Aproximadamente a 400ºC
con Fe3O4.Cr2O3 como
catalizador. En esta primera
etapa, se desprende una
considerable cantidad de
calor que eleva la
temperatura de los gases
impidiendo una conversión
elevada (75% de la
conversión). Por ello, los
gases convertidos se llevan
a una caldera de
recuperación de calor donde
se enfrían y pasan a una
segunda etapa.
b. Aproximadamente a 225ºC
con un catalizador más
activo y más resistente al
envenenamiento: Cu-ZnO,
prácticamente la conversión
completa.
Etapa de Eliminación del CO2
El anhídrido carbónico, formado en
las reacciones anteriores, tiene
que eliminarse antes de pasar a la
etapa de compresión.
El CO2 se elimina en una torre con
varios lechos mediante absorción
con carbonato potásico (K2CO3) a
contracorriente, formándose
KHCO3 según
CO3K2 + CO2 + H2O 2CO3HK
∆H = -6,400 kcal
Este se hace pasar por dos torres
a baja presión para desorber el
CO2, el bicarbonato pasa a carbón
liberando CO2. (Subproducto para
fabricación de bebidas
refrescantes).
Etapa de Metanización
También hay que eliminar el
monóxido de carbono residual que
es peligroso para el catalizador del
reactor de síntesis.
Desde el punto de vista energético,
el proceso más interesante es la
metanización catalítica, que no
sólo elimina el CO, sino también el
CO2 y el O2 residual. Además las
reacciones son fuertemente
exotérmicas:
CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g)
∆H = -49,217 kcal
CO(g) + 4H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)
∆H = -113,500 kcal
2H2(g) + O2 2H2O
∆H = 115,600 kcal
Proceso sobre lecho catalítico de
Ni (300ºC).
Síntesis del amoniaco
A continuación el gas se comprime
a la presión de 200 atm.
Aproximadamente (compresor
centrífugo con turbina de vapor) y
se lleva al reactor donde tiene
lugar la producción del amoníaco,
sobre un lecho catalítico.
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)
En un solo paso por el reactor la
reacción es muy incompleta con un
rendimiento del 14-15%. Por tanto,
el gas de síntesis que no ha
reaccionado se recircula al reactor
pasando antes por dos
operaciones:
a. Extracción del amoníaco
mediante una
condensación.
b. Eliminación 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
N2 y H2 se introducen de
nuevo en el bucle de
síntesis
En el proceso anterior hay tres
variables que optimizar para
obtener un rendimiento idóneo y
son: presión, temperatura y
actividad del catalizador. Estas
influyen en la cinética y en el
equilibrio de la reacción.
El amoníaco se almacena en un
tanque criogénico a -33ºC, el
amoníaco que se evapora
(necesario para mantener la
temperatura) se vuelve a introducir
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
por el químico alemán Fritz Haber
y comercializado en el año 1910
por Carlo Bosch. Ambos
obtuvieron premios Nobel de
química por sus importantes
aportes a la ciencia y a la industria.
En los primeros años del sigo
veintes, existían una gran
demanda de amoníaco, para ser
usado en la síntesis de fertilizantes
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
amoníaco a partir del nitrógeno
ambiental, hasta que Haber dio
con la solución, y Bosch ideó la
manera de sintetizar amoníaco a
gran escala.
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
para formar amoníaco radica en
que la molécula de N2 es muy
estable, gracias a sus enlaces
triples, y es químicamente bastante
inerte.
La reacción se logra realizar con
un rendimiento aceptable, bajo
condiciones de alta presión y
temperatura, y mediando un
catalizador de hierro, potasio y
óxidos de aluminio.
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.
El hidrógeno utilizado en este
proceso se obtiene a partir de gas
natural o metano, que hacemos
reaccionar con el vapor del agua,
en la presencia de catalizadores,
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.
Al ser una reacción exotérmica, se
puede pensar que elevar la
temperatura disminuye el
rendimiento de la reacción, y
efectivamente así es, pero como
contrapartida, la velocidad de
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 hacia la derecha,
acelerando la formación de
producto.
El rendimiento de la reacción en
estas condiciones es del 15 o 20%,
pero los gases que no han
reaccionado para formar
amoníaco, se vuelven a procesar,
repetidas veces, obteniéndose de
esta manera una recuperación del
98%.
Actualmente la mayoría del
amoníaco producido a nivel
industrial utiliza este proceso. El
amoníaco producido se utiliza
mayormente en la síntesis de
fertilizantes, llegando a producirse
más de 100 millones de toneladas
de fertilizante al año.” [3]
Diagrama del Proceso Haber-
Bosch
2.6.- Consumo energético
La energía es imprescindible para
la vida. Consumir energía se ha
convertido en sinónimo de
actividad, de transformación y de
progreso, hasta tal punto de que la
tasa de consumo energético es
hoy en día un indicador del grado
de desarrollo económico de un
estado. El consumo de energías
provenientes de combustibles
fósiles (carbón y petróleo
principalmente) durante el siglo XX
se ha incrementado tanto que se
corre el riesgo de agotar estos
recursos, y ha mostrado la
necesidad de adecuar el consumo
a las necesidades.
La eficiencia energética o ahorro
de energía es una práctica que
tiene como esencia reducir el
consumo de energía, lo cual más
específico seria el uso eficiente de
la energía, de esta manera
optimizar los procesos productivos
y el empleo de la energía utilizando
lo mismo o menos para producir
más bienes y servicios. Dicho de
otra manera, producir más con
menos energía, por ejemplo los
individuos y las organizaciones que
son consumidores directos de la
energía pueden reducir el consumo
energético para disminuir costos y
promover sostenibilidad
económica, política y ambiental.
Los usuarios industriales y
comerciales pueden desear
aumentar eficacia y maximizar así
su beneficio. La industria
petroquímica promueve un gran
consumo energético debido a sus
procesos de obtención de
productos.
Según Prias Omar. (2012) señala
que: “Los consumos específicos
son función, de las siguientes
variables: proceso de fabricación
empleado, capacidad de
producción, materia prima, y
antigüedad de la instalación. En las
grandes instalaciones, a partir de
600 ton/día, aparte del ahorro
energético debido a la economía
de escala, se pueden utilizar
grandes reactores de flujo radial
por lo que disminuye la pérdida de
carga y hace posible la sustitución
de los compresores alternativos
por centrífugos de mayor
rendimiento, empleándose turbinas
de vapor para accionarlos. Esto
queda reflejado en la tabla 1.
En la Figura 1 se ha representado
el porcentaje de energía que
consume cada operación. Se
puede apreciar que sólo dos
operaciones: reformado y
compresión, representan el 96%
de la energía consumida.
Figura 1. Porcentaje de energía
Consumida por Operación.
Tabla 1. Consumos específicos en
función de la materia prima y de la
capacidad de producción. Proceso
de Reformado con Vapor.
CAPACIDAD
PRODUCCION ton NH3 / DÍA
MATERIA
PRIMA
CON. ENER.
TER. M. PRIMA
+ COMB. TEP/ton
NH3
C. ELECTR
ICO kWh/
ton NH3
EP. ELÉCTRICA TEP /
ton NH3
EP. TOTAL
TEP / ton NH3
100 Gas Natural
0,74456
683,57 0,1688
0,9133
100 Nafta 0,82425
716,648 0,1770
1,0012
300 Gas Natural
0,7289 661,52 0,1633
0,8922
300 Nafta 0,819 683,57 0,1688
0,9878
600 Gas Natural
0,8200 27,56 0,0068
0,8268
600 Nafta 0,945 33,076 0,0081
0,9531
1.000 Gas Natural
0,807 22,050 0,0054
0,8124
1.000 Nafta 0,9345 27,56 0,0068
0,9413
” [4]
2.7.- Producción industrial de
Urea
Según Textos Científicos. (2005)
señala que: “La síntesis de urea a
nivel industrial se realiza a partir de
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
carbamato se deshidrata para
formar urea.
Surge un problema dado que las
velocidades de las reacciones son
diferentes. La primera etapa es
mucho más rápida que la segunda,
con 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.
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
Degradación del carbamato
y reciclado.
Síntesis de urea
Deshidratación,
concentración y granulación
Diagrama del proceso completo de
producción de la urea
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.
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 cual 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/N2 para la
posterior obtención del amoníaco.
La reacción es la siguiente
2CH4 + 3H2O CO + CO2 + 7H2
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 H2 usando
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 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 + 3H2 CH4 + H2O
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
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:
7H4 + 10H2O + 8N2 + 2O2
16NH3 + 7CO2
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.
Formación del carbamato
La reacción de síntesis de Urea se
lleva a cabo a altas presiones (200
bar) y el nivel térmico óptimo
(190°C) en un reactor construido
en acero inoxidable especial.
La reacción se produce entre el
amoníaco, el CO2 y la solución
reciclada de carbamato,
proveniente de la etapa de
absorción.
El carbamato 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)
∆H= -117 kJ/mol
Amoniaco + Gas Carbónico
Carbamato 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 primera
etapa, para formar el carbamato,
que luego se deshidrata a urea +
agua. Esta reacción logra cerca del
100% en condiciones normales.
Descomposición del carbamato.
No todo el Carbamato 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 Carbamato en
Urea en el reactor está en el orden
de 70%. Es decir que de cada 100
Kg de carbamato que se forman,
sólo 70 Kg pasan a Urea. El resto
debe reciclarse permanentemente
y en forma continua al reactor para
lograr una conversión total.
Como habíamos visto, el
carbamato 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 carbamato. 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 carbamato. Esta
forma tiene la ventaja de poder
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) + H2O (l)
∆H= +15.5 kJ/mol
Como se ve, la reacción es
endotérmica, y habíamos dicho
que es mucho más lenta que la de
producción de carbamato. 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 – 190ºC 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 carbamato (exot.,
rápida) en su parte inferior, por la
alimentación de CO2 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
2NH2 –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.
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
Síntesis, 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 superior 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.”
[6]
2.8.- Fertilizantes y sus
aplicaciones
Los fertilizantes o abonos son
sustancias de origen animal,
mineral, vegetal o sintético, que
contienen gran cantidad de
nutrientes y se utilizan para
enriquecer y mejorar
características físicas, químicas y
biológicas del suelo o sustrato; así
las plantas se desarrollarán mejor.
La mayoría de los fertilizantes en el
mercado los proporciona la
industria petroquímica como por
ejemplo fosfato diamónico, sulfato
de potasio, sulfato de amonio,
borato, urea entre otros,
principalmente la urea es uno de
los fertilizantes más usados por
sus propiedades.
Según QuimiNet (2007) señala
que: “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 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
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.
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.
Fertilización foliar׃ La fertilización
foliar es una antigua práctica, pero
en general se aplican cantidades
relativamente exiguas con 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.”
[5]
La urea como producto del
amoniaco la cual posee una
enorme proporción de grupos
aminos específicamente nitrógeno
donde este elemento es el indicado
para que las plantas desarrollen
su metabolismo, la urea
principalmente se aplica al suelo
donde esta se hidroliza se
descompone y libera las moléculas
de nitrógeno este compuesto es
absorbido por el tallo y las hojas
de la planta, el nitrógeno provee
está directamente relacionado con
la proporción de vitaminas y
proteínas que requieren las plantas
y a su vez incumbe con el
contenido proteico de los cereales.
3.- CONCLUSIONES.
El amoniaco es un gas
formado por la combinación
de un átomo de nitrógeno y
tres de hidrógeno.
Es el derivado más
importante del nitrógeno y
es el camino para hacerlo
activo.
El NH3 se obtiene
exclusivamente por el
método denominado Haber-
Bosh (Fritz Haber y Carl
Bosh). El proceso consiste
en la reacción directa entre
el nitrógeno y el hidrógeno
gaseosos.
Un alto porcentaje de la
producción mundial de
amoniaco emplea Gas
natural como materia prima.
El reformado con vapor es
un método para la obtención
de hidrógeno a partir de
hidrocarburos, y en
particular gas natural.
Este proceso requiere de
una gran cantidad de
energía para realizar el
reformado y en el caso de
algunos combustibles, se
necesita una remoción de
contenidos de azufre y otras
impurezas.
A partir de amoníaco (NH3)
líquido y anhídrido
carbónico (CO2) gaseoso,
se obtiene urea de forma
industrial.
El proceso completo de
producción de la urea puede
separarse en las siguientes
etapas: Obtención de CO2,
Obtención de amoníaco,
Formación de carbamato,
Degradación del carbamato
y reciclado, Síntesis de
urea, Deshidratación,
concentración y granulación
La urea es materia prima
para la producción de
alimentos de ganado,
fertilizantes agropecuarios y
cremas humectantes.
La utilización de fertilizantes
de urea permite que las
plantaciones se vuelvan
más fuertes y pueden
sobrellevarse.
4.-BIBLIOGRAFIAS.
[1] EcuRed. (2015) Cambamida
o Urea. [Disponible en:
http://www.ecured.cu/index.
php/Carbamida#Propiedade
s_f.C3.ADsicas_y_qu.C3.A
Dmicas] [Fecha de consulta:
25/08/2015].
[2] FONAIAP. (1995) Uso de la
urea en la alimentación de
rumiantes. [Disponible en:
http://sian.inia.gob.ve/reposit
orio/revistas_tec/FonaiapDiv
ulga/fd50/urea.htm] [Fecha
de consulta: 18/08/2015].
[3] La Guía de Química. (2010)
Proceso de Haber.
[Disponible en:
http://quimica.laguia2000.co
m/reacciones-
quimicas/proceso-de-
haber#ixzz3m1r15GQL]
[Fecha de consulta:
24/08/2015].
[4] Prias Omar. (2012) Ahorro
de energía en la industrial
de amoniaco. Doc. PDF.
[Disponible en:
http://www.si3ea.gov.co/Port
als/0/Gie/Procesos/amoniac
o.pdf] [Fecha de consulta:
25/08/2015].
[5] QuimiNet. (2007) La urea y
sus diversas aplicaciones.
[Disponible en:
http://www.quiminet.com/arti
culos/la-urea-y-sus-
diversas-aplicaciones-
21306.htm] [Fecha de
consulta: 17/08/2015].
[6] Textos Científicos. (2005)
Producción industrial de la
urea. [Disponible en:
http://www.textoscientificos.
com/quimica/urea/produccio
n] [Fecha de consulta:
14/08/2015].
[7] Valderrama. José. (1994)
Información tecnológica.
(pg. 31,32). [Disponible en:
https://books.google.co.ve/b
ooks?id=ZGoe8YJcEYQC&
pg=PA29&lpg=PA29&dq=la
s+materias+primas+necesar
ias+para+la+s%C3%ADntes
is+de+amoniaco&source=bl
&ots=dLaGNDgmIc&sig=on
Ea_JdO-
rlfN2G2PZtfiXnCUQM&hl=e
s-
419&sa=X&ved=0CCIQ6AE
wAWoVChMI6NmrjbCGyAI
VhFY-
Ch2ZZAIw#v=onepage&q=l
as%20materias%20primas
%20necesarias%20para%2
0la%20s%C3%ADntesis%2
0de%20amoniaco&f=false]
[Fecha de consulta:
20/08/2015].
[8] Wikipedia. (2015)
Amoniaco. [Disponible en:
https://es.wikipedia.org/wiki/
Amon%C3%ADaco ] [Fecha
de consulta: 24/08/2015].
5.-NOMENCLATURA.
NH3 = Amoniaco
H2O = Agua
°C = Grados Celsius
KJ/mol = kilojulio por mol,
unidad derivada del SI
correspondiente a energía
por cantidad de materia.
g/m3 = kilogramo por metro
cúbico es la unidad del SI
empleada para medir la
densidad.
NCl3 = Cloruro de Nitrógeno.
N2H4CO = Urea
NH2-CO-NH2 = Formula
semidesarrollada de la
Urea.
g.mol-1 = kilogramo por mol,
unidad de medida en el SI
empleada para medir la
masa molar.
J/g = Joule por gramos,
unidad empleada para medir
la entalpia de fusión.
CO = Monóxido de
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.
H2S = Ácido Sulfhídrico.
CO2 = Dióxido de Carbono.
mts = metros, unidad de
medida en el SI empleada
para medir longitud.
NiO = Oxido de Níquel.
N2 = Nitrógeno molecular.
O2 = Oxigeno Molecular.
Ar = Argón.
∆H = Entalpia.
∆G = Energía de Gibbs.
Kcal = Kilocaloría, unidad de
energía del Sistema Técnico
de Unidades, basada en el
calor específico.
Kg/cm2 = Kilogramos por
centímetros cuadrado,
unidad de medida de la
presión.
Fe3O4 = Tetróxido de
Trihierro.
Cr2O3 = Óxido de cromo
(III).
Cu = Cobre.
ZnO = Óxido de Zinc.
K2CO3 = Carbonato de
Potasio.
KHCO3 = Bicarbonato de
Potasio.
Ni = Níquel.
atm = Atmosfera, unidad de
presión equivale a la presión
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/cm2 = kilogramo-fuerza
por centímetro cuadrado,
unidad de presión utilizando
unidades métricas.
NH2-CO-NH-CO-NH2 =
Formula semidesarrollada
de Biuret.
mm = Milímetro, es una
unidad de longitud.
O = Oxigeno
% = Por ciento
N = Nitrógeno
