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Universidad Nacional de Trujillo

ING. QUIONES PAREDES PEDRO Pgina 1

PRODUCCIN DE REA

RECURSOS NATURALES ORGNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIN

La urea es la diamida del cido carbnico:

rea cido Carbnico

La urea, tambin conocida como carbamida, carbonildiamida o cido arbamdicoes; es

un compuesto qumico cristalino e incoloro; de frmula CO(NH2)2. Se encuentra

abundantemente en la orina y en la materia fecal. Es el principal producto terminal del

metabolismo de protenas en el hombre y en los dems mamferos. La orina humana contiene

unos 20g por litro, y un adulto elimina de 25 a 39g diariamente.

En cantidades menores, est presente en la sangre, en el hgado, en la linfa y en los fluidos

serosos, y tambin en los excrementos de los peces y muchos otros animales. Tambin se

encuentra en el corazn, en los pulmones, en los huesos y en los rganos reproductivos as

como el semen. La urea se forma principalmente en el hgado como un producto final

del metabolismo. El nitrgeno de la urea, que constituye el 80% del nitrgeno en la orina,

procede de la degradacin de los diversos compuestos con nitrgeno, sobre todo de los

aminocidos de las protenas en los alimentos. En los mamferos la urea se forma en un ciclo

metablico denominado ciclo de la urea. La urea est presente tambin en los hongos as

como en las hojas y semillas de numerosas legumbres y cereales.

Debido a su momento dipolar, la urea es soluble en agua y en alcohol, y ligeramente soluble

en ter. Se obtiene mediante la sntesis de Whler, que fue diseada en 1828 por el qumico

alemn Friedrich Whler, y fue la segunda sustancia orgnica obtenida artificialmente, luego

del oxalato de amonio.



Para la fabricacin tcnica de la urea se hacen reaccionar amoniaco y anhdrido carbnico

lquidos.

Amoniaco: El amonaco, azano o gas de amonio es un compuesto qumico cuya

molcula consiste en un tomo de nitrgeno y tres tomos de hidrgeno de acuerdo

con la frmula NH3.

Frmula: NH3

Densidad: 0,73 kg/m

Punto de ebullicin: -33,34 C

Masa molar: 17,031 g/mol

Punto de fusin: -77,73 C

Anhdrido carbnico: El dixido de carbono, tambin denominado xido de carbono,

gas carbnico y anhdrido carbnico, es un gas cuyas molculas estn compuestas por

dos tomos de oxgeno y uno de carbono. Su frmula molecular es CO2.

Frmula: CO2

Masa molar: 44,01 g/mol

Punto de fusin: -78 C

Punto de ebullicin: -57 C

Soluble en: Agua

DEFINICION OPERACIONAL DEL PROCESO INDUSTRIAL ORGANICO EN ESTUDIO

El proceso de realiza a partir de amoniaco (NH3) lquido y anhdrido carbnico (CO2) gaseoso.

Se realiza en un reactor vertical, que opera a 188 190 C y 160 Kgf/cm2 absoluta, un tiempo

de residencia de alrededor de 45 minutos y un grado de conversin (en un paso) del 65 70 %.

Combina la formacin de carbomato (exotrmica, rpida) en su parte inferior, por la

alimentacin de CO2 y NH3 en exceso y la descomposicin del carbomato en urea (mucho ms

lenta y endotrmica).

PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS, TERMODINAMICAS Y AMBIENTALES DEL PROCESO

Propiedades fsicas

Estado fsico y apariencia Slido (Slido Granulado)

Color Blanco.

Sabor Salino.



Densidad 1340 kg/m3 ; 1,34g/cm3

Masa molar 60,06 g/mol

Punto de fusin 405,8 K (133 C)

Propiedades qumicas

Acidez 0.18 pKa

pH (10% sol n/agua) 8

Solubilidad en agua 108 g/100 ml (20 C)

167 g/100 ml (40 C)

251 g/100 ml (60 C)

400 g/100 ml (80 C)

733 g/100 ml (100 C)

Corrosividad Altamente corrosivo al acero al carbono. Poco al aluminio, zinc y cobre. No lo

es al vidrio y aceros especiales.

Propiedades ambientales

Es una sustancia higroscpica, es decir, que tiene la capacidad de absorber agua de la

atmsfera y presenta un ligero olor a amonaco.

La urea es una sustancia no peligrosa, no txica, no cancergena y tampoco es

inflamable aunque si es levemente irritante en contacto en los ojos y piel.

Es explosivo si se mezcla con agentes reductores fuertes, como hipoclorito y por termo

descomposicin, produce gases inflamables y txicos (NH3 y CO2).

DESCRIPCION DE LOS METODOS Y TECNOLOGIAS DE INDUSTRIALIZACION DEL

PROCESO.

La sntesis de urea a nivel industrial se realiza a partir de amonaco (NH3) lquido y anhdrido

carbnico (CO2) gaseoso. La reaccin se verifica en 2 pasos. En el primer paso, los reactivos

mencionados forman un producto intermedio llamado carbamato de amonio y, en la segunda

etapa, el carbamato se deshidrata para formar urea.

Dos son las tcnicas empleadas para la separacin del carbamato residual: la descompresin

y el desgasado o stripping con CO2.



En el proceso de descompresin el efluente saliente del reactor se lamina de manera

que el carbamato no convertido en urea se descompone casi totalmente y se genera

una corriente gaseosa en la que se incluye el amoniaco en exceso que permaneca

disuelto. La fase lquida separada del gas est constituida por una solucin saturada de

carbamato, CO2 y NH3, en la que est disuelta la urea producida. Esta disolucin se

lamina nuevamente para descomponer el resto de carbamato, se concentra en una

serie de evaporadores que eliminan el agua que la acompaa para, finalmente,

cristalizar la urea en un cristalizador o, ms frecuentemente, granularla en una torre

de perdigonado (prilling).

El proceso de desgasado se basa en la idea de no reducir la presin absoluta del

efluente del reactor, sino en reducir la presin parcial del amoniaco de la fase gaseosa,

con lo que se desplaza el equilibrio de la reaccin hacia la izquierda. Para ello se pone

en contacto la corriente saliente del reactor con el CO2 comprimido que se alimenta a

la planta. De esta manera, adems de descomponerse el carbamato no convertido en

urea, se desgasa la solucin de urea del exceso de amonaco. A continuacin se

procede a la descompresin escalonada, como en el proceso convencional, se evapora

el agua para concentrar la solucin de urea y se procede a su cristalizacin o

granulacin.



DIAGRAMA DE FLUJO

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2



DIAGRAMA DE BLOQUES



MODELO ELEGIDO Y REACCIONES QUMICAS

La Planta de Urea utiliza el proceso MITSUI TOATSU TOTAL RECYCLE C-IMPROVED PROCESS,

de procedencia japonesa.

La Planta puede dividirse en 4 grandes secciones:

Sntesis

Descomposicin

Recuperacin

Cristalizacin y Prillado

SECCIN SNTESIS DE UREA

La Urea es producida por una reaccin altamente exotrmica entre el amonaco y el dixido de

carbono para formar carbamato de amonio, seguida posteriormente de una reaccin de

deshidratacin, ligeramente endotrmica del carbonato de amonio, para formar rea. Las

reacciones principales que ocurren son las siguientes:

(1)

(2)

Estas reacciones qumicas son reversibles. Las variables principales que las afectan son: la

temperatura, presin, composicin de las corrientes de alimentacin y tiempo de residencia.

La conversin de carbamato de amonio a urea tiene lugar en la fase lquida y requiere de altas

presiones y altas temperaturas. Las condiciones de operacin en el reactor de sntesis de urea

son de aproximadamente 200C y de 250 kg/

La conversin de Urea es limitada por la presencia de agua e incrementada por un exceso de

amoniaco. Esta reaccin qumica se realiza en un recipiente de alta presin donde el tiempo de

residencia es de aproximadamente 25 minutos.

Debido a la naturaleza corrosiva de los reactantes y productos de la reaccin el reactor est

protegido por un Lining de titanio, a lo largo de todas las superficies en contacto con los

fluidos de proceso.

Normalmente, los reactantes pueden corroer el Titanio, pero la adicin de pequeas

cantidades de oxgeno tiende a pasivarlo de tal manera que al final se obtiene un tiempo

satisfactorio de vida de este equipo.



Debido a que la reaccin de sntesis de urea es exotrmica debe tenerse especial cuidado en

controlar la temperatura del reactor, esto se logra por la combinacin de los siguientes

factores:

Cantidad de amoniaco en exceso. (4/1 molar)

Rgimen de solucin de Reciclo.

Temperatura de precalentamiento del amonaco lquido.

SECCIN DESCOMPOSICIN

Los productos de la reaccin de sntesis son: rea, Biuret (indeseable dmero de la rea),

carbamato de amonio, agua y amoniaco en exceso. La siguiente etapa tiene como funcin

separar la Urea de los productos de reaccin.

El carbamato de amonio, exceso de amoniaco y algo de agua son removidos aplicando calor a

niveles de presin reducida. El carbamato de amonio es descompuesto a amoniaco y , de

acuerdo a la siguiente reaccin:

Esta reaccin de descomposicin se lleva a cabo a temperaturas entre 120C y 165C. El

decrecimiento de la presin e incremento de la temperatura favorecen la descomposicin.

Durante esta etapa se produce la reaccin de hidrlisis de la Urea de acuerdo a la siguiente

reaccin:

Debido a que la hidrlisis consume urea, sta reaccin no es deseada y se debe controlar para

minimizar las prdidas de producto. La reaccin de hidrlisis es favorecida a alta temperatura

y baja presin, por lo que las condiciones de operacin deben ser cuidadosamente

seleccionadas para evitar estos factores y mantener un alto rendimiento en la produccin de

Urea.

La formacin de Biuret es otro factor que debe ser considerado en la descomposicin. A baja

presin parcial de amonaco y a una temperatura arriba de 90 C, la Urea se descompone para

formar amonaco y biuret tal como lo muestra la siguiente reaccin:



Esta reaccin es reversible y las principales variables que la afectan son la temperatura, la

concentracin de amoniaco y el tiempo de residencia.

El biuret es fcilmente producido en la Urea fundida o solucin de Urea concentrada, a

concentraciones bajas de amoniaco. Pero en el paso de sntesis, un exceso de amoniaco ayuda

a mantener la concentracin de biuret baja.

Existen tres etapas de descomposicin: 17kg/ , 2.5kg/ y 0 kg/ , las cuales son

usadas para separar completamente carbonato de amonio y exceso de amoniaco de la

solucin de Urea, antes que la corriente de esta ltima ingrese al cristalizador.

La concentracin de Urea que ingresa al cristalizador es de 75% en peso.

SECCIN DE RECUPERACIN

La diferencia bsica entre varios procesos de Urea est relacionada con los mtodos para

manipular los componentes y que no han reaccionado y provienen del rea de

descomposicin. En sta seccin se realizan dos procesos principales:

Separacin y reciclo de gases.

Separacin como gases y reciclo en una solucin o slurry

En el proceso Mitsui Toatsu Total Recycle Improved Process, se usa el mtodo de reciclo de la

solucin. La mezcla de gases de amoniaco y dixido de carbono proveniente de los

descomponedores es absorbida en una solucin de Urea y agua en los respectivos

absorbedores, y luego retornada al reactor de sntesis de Urea.

El amonaco en exceso es purificado en un absorbedor de alta presin y reciclado,

separadamente al reactor.

SECCIN CRISTALIZACIN Y PRILLADO

La solucin de Urea que sale de los descomponedores es cristalizada al vaco y los cristales

separados por medio de centrfugas.

En esta etapa se usa eficientemente el calor de cristalizacin para evaporar agua a baja

temperatura y cristalizar al vaco.

Los cristales formados, son centrifugados y secados a menos de 0.2% humedad, con aire

caliente. Para mantener el contenido de biuret a menos de 0.1% en los cristales de Urea, una

cierta cantidad de lquido madre, el cual contiene casi todo el biuret originalmente existente,

es reciclado a la seccin de recuperacin como una solucin absorbente del y .



Este licor madre despus de absorber los gases mencionados es finalmente retornado al

reactor donde el biuret es convertido a urea, en presencia de un exceso de amonaco y de

acuerdo a la siguiente reaccin:

Los cristales secos son transportados a la parte superior de la torre por medio de una tubera

neumtica. Luego, son fundidos y pasados a travs de distribuidores (rociadores para formar el

prill de Urea por enfriamiento de aire a contracorriente).

La Urea recibida en el fondo de la torre es tamizada para remover los prills

sobredimensionados, luego es enviada al rea de almacenamiento, donde ser envasada.

OTRAS REACCIONES QUMICAS DE INTERS INDUSTRIAL

Por termo descomposicin, a temperaturas cercanas a los 150 - 160 C, produce gases

inflamables y txicos y otros compuestos. Por ejemplo amonaco, dixido de carbono, cianato

de amonio (NH4OCN) y biurea HN(CONH2)2. Si se contina calentando, se obtienen

compuestos cclicos del cido cinabrio.

Soluciones de urea neutras, se hidrolizan muy lentamente en ausencia de microorganismos,

dando amonaco y dixido de carbono. La cintica aumenta a mayores temperaturas, con el

agregado de cidos o bases y con un incremento de la concentracin de urea.

MECANISMOS DE REACCION DEL PROCESO PRINCIPAL

TECNOLOGIA DE PURIFIFCACION DEL PRODUCTO PRINCIPAL A OBTENER

La mayora de las plantas de gran escala se basan en algunos de los siguientes procesos de

despojamiento (stripping):

1. Proceso Stamicarbon, que est basado en el despojamiento con dixido de carbono.

2. Proceso Snamprogetti, se fundamenta en el despojamiento con amonaco.

3. Proceso Toyo, basado en el despojamiento con dixido de carbono.



La escogencia de la tecnologa para la produccin de urea, debe estar sustentada en la

seleccin del proceso que sea energticamente eficiente. Para ello el mtodo debe poseer una

alta eficacia en la conversin de dixido de carbono a urea en el reactor de sntesis; eficiente

descomposicin del carbamato, buena separacin de los productos de la descomposicin y del

exceso de amonaco y mxima recuperacin y eficiente empleo del calor liberado.

IMPACTO AMBIENTAL DE LOS MATERIALES

Los impactos socioeconmicos positivos de esta industria son obvios: los fertilizantes son

crticos para lograr el nivel de produccin agrcola necesario para alimentar la poblacin

mundial, rpidamente creciente.

Adems, hay impactos positivos indirectos para el medio ambiente natural que provienen del

uso adecuado de estas sustancias; por ejemplo, los fertilizantes qumicos permiten intensificar

la agricultura en los terrenos existentes, reduciendo la necesidad de expandirla hacia otras

tierras que puedan tener usos naturales o sociales distintos.

Sin embargo, los impactos ambientales negativos de la produccin de fertilizantes pueden ser

severos. Las aguas servidas constituyen un problema fundamental. Pueden ser muy acidas o

alcalinas y, dependiendo del tipo de planta, pueden contener algunas sustancias toxicas para

los organismos acuticos, si las concentraciones son altas: amoniaco o los compuestos de

amonio, urea de las plantas de nitrgeno, cadmio, arsnico, y fluoruro de las operaciones de

fosfato, si est presente como impureza en la piedra de fosfato.

Adems, es comn encontrar en los efluentes, slidos totales suspendidos, nitrato y nitrgeno

orgnico, fosforo, potasio, y (como resultado), mucha demanda de oxigeno bioqumico (DOB);

y, con la excepcin de la demanda de oxigeno bioqumico, estos contaminantes ocurren

tambin en las aguas lluvias que escurren de las reas de almacenamiento de los materiales y

desechos.

Es posible disear plantas de fosfato de tal manera que no se produzcan descargas de aguas

servidas, excepto en el caso del rebosamiento de una piscina de evaporacin durante las

temporadas de excesiva lluvia, pero esto no siempre es prctico.

Los productos de fertilizantes terminados tambin son posibles contaminantes del agua; su

uso excesivo e inadecuado puede contribuir a la eutrofizacin de las aguas superficiales o

contaminacin con nitrgeno del agua fretica. Adems, la explotacin de fosfato puede

causar efectos negativos. Estos deben ser tomados en cuenta, cuando se predicen los impactos

potenciales de proyectos que incluyan las operaciones de extraccin nueva o expandida, sea

que la planta est situada cerca de la mina o no.



La utilizacin de los fertilizantes trae dos problemas a los cuales quienes se encarguen de su

aplicacin, deben prestar atencin.

El primer inconveniente al cual se enfrentan quienes utilizan este producto, es que es un

compuesto que cuando se aplica en la superficie del suelo, su volatilizacin es muy comn y se

dan grandes prdidas del mismo, si no se aplica con precaucin. Para evitar esto se puede

llegar a recubrir el suelo antes de la aplicacin del fertilizante de urea, y as evitar la prdida

del compuesto como ya hemos explicado. El segundo inconveniente, y el ms importante, es

que su utilizacin en exceso o aplicada y el suelo se encuentra a mucha temperatura, puede

llevar a una derivacin del compuesto, y esta nueva combinacin del mismo con otras

sustancias del suelo, puede llegar a contaminar las plantaciones y destruir una cosecha de

meses. As es que su aplicacin se debe realizar con las medidas de seguridad necesarias y

gente que tenga conocimiento sobre el trabajo que est realizando.

APLICACIN INDUSTRIAL

Fertilizante El 91% de la urea producida se emplea como fertilizante. Se aplica al suelo y

provee nitrgeno a la planta. Tambin se utiliza la urea de bajo contenido de biuret (menor al

0.03%) como fertilizante de uso foliar. Se disuelve en agua y se aplica a las hojas de las plantas,

sobre todo frutales, ctricos.

La urea como fertilizante presenta la ventaja de proporcionar un alto contenido de nitrgeno,

esencial en el metabolismo de la planta ya que se relaciona directamente con la cantidad

de tallos y hojas, quienes absorben la luz para la fotosntesis. Adems el nitrgeno est

presente en las vitaminas y protenas, y se relaciona con el contenido proteico de los cereales.

La urea se adapta a diferentes tipos de cultivos. Es necesario fertilizar, ya que con la cosecha se

pierde una gran cantidad de nitrgeno. El grano se aplica al suelo, el cul debe estar bien

trabajado y ser rico en bacterias. La aplicacin puede hacerse en el momento de la siembra o

antes. Luego el grano se hidroliza y se descompone.

Debe tenerse mucho cuidado en la correcta aplicacin de la urea al suelo. Si sta es aplicada

en la superficie, o si no se incorpora al suelo, ya sea por correcta aplicacin, lluvia o riego, el

amonaco se vaporiza y las prdidas son muy importantes. La carencia de nitrgeno en la

planta se manifiesta en una disminucin del rea foliar y una cada de la actividad

fotosinttica.

Fertilizacin foliar La fertilizacin foliar es una antigua prctica, pero en general se aplican

cantidades relativamente exiguas con relacin a las de suelo, en particular de macronutrientes.

Sin embargo varios antecedentes internacionales demuestran que el empleo de urea bajo



de biuret permite reducir las dosis de fertilizantes aplicados al suelo, sin prdida de

rendimiento, tamao y calidad de fruta[cita requerida]. Estudios realizados en Tucumn demuestran

que las aplicaciones foliares de urea en bajas cantidades resultan tan efectivas como las

aplicaciones al suelo[cita requerida]. Esto convalida la prctica de aplicar fertilizantes junto con las

aplicaciones de otros agroqumicos como complemento de un programa de fertilizacin

eficiente.

Industria qumica y de los plsticos Se encuentra presente en adhesivos, plsticos, resinas,

tintas, productos farmacuticos y acabados para productos textiles, papel y metales.

Como suplemento alimenticio para ganado: Se mezcla en el alimento del ganado y aporta

nitrgeno, vital en la formacin de las protenas.

Produccin de resinas Como por ejemplo la resina urea-formaldehdo . Estas resinas tienen

varias aplicaciones en la industria, como por ejemplo la produccin de madera aglomerada.

Tambin se usa en la produccin de cosmticos y pinturas.

Produccin de drogas Se usa como adulterante para la fabricacin de drogas como la

metanfetamina.