la urea
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Urea
Urea, también conocida como carbamida, carbonildiamida o ácido arbamídico,
es el nombre del ácido carbónico de la diamida. Cuya formula química es
(NH2)2CO. Es una sustancia nitrogenada producida por algunos seres vivos
como medio de eliminación del amoníaco, el cuál es altamente tóxico para
ellos. En los animales se halla en la sangre, orina, bilis y sudor.
La urea se presenta como un sólido cristalino y blanco de forma esférica o
granular. Es una sustancia higroscópica, es decir, que tiene la capacidad de
absorber agua de la atmósfera y presenta un ligero olor a amoníaco.
Comercialmente la urea se presenta en pellets, gránulos, o bien disuelta,
dependiendo de la aplicación.
PropiedadesPeso molecular 60.06 g/mol
Densidad 768 Kg/m3
Punto de fusión 132.7 ºC
Calor de fusión 5.78 a 6 cal/gr
Calor de combustión 2531 cal/gr Humedad crítica relativa (a 30°C): 73%
Acidez equivalente a carbonato de calcio
84 (Partes de carbonato de calcio necesarias para neutralizar el efecto acidificante de 100 partes de urea)
Índice de salinidad 75.4
Calor de disolución en agua
57.8 cal/gr (endotérmica)
Energía libre de formación a 25 ºC
47120 cal/mol (endotérmica)
Corrosividad altamente corrosivo al acero al carbono. Poco al aluminio, zinc y cobre. No lo es al vidrio y
aceros especiales
La urea es una sustancia no peligrosa, no tóxica, no cancerígena 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 descomposición, produce gases inflamables y tóxicos (NH3 y CO2)
Solubilidad
Es muy soluble en agua, alcohol y amoníaco. Poco soluble en éter y otros a
temperatura ambiente. Ver tablas.
Solubilidad en agua
Temperatura
(ºC)
Gramos/100gr sc
20 52
30 62.5
60 71.5
80 80
100 88
Solubilidad en alcoholes
Alcohol Gramos/100gr sc
Metanol 27.7
Etanol 7.2
n-propanol 3.6
Isobutanol 2.3
Principales reacciones
Por termo descomposición, a temperaturas cercanas a los 150 – 160 ºC,
produce gases inflamables y tóxicos y otros compuestos. Por ejemplo
amoníaco, dióxido de carbono, cianato de amonio (NH4OCN) y biurea
HN(CONH2)2. Si se continúa calentando, se obtienen compuestos cíclicos del
ácido cinabrio.
Soluciones de urea neutras, se hidrolizan muy lentamente en ausencia de
microorganismos, dando amoníaco y dióxido de carbono. La cinética aumenta
a mayores temperaturas, con el agregado de ácidos o bases y con un
incremento de la concentración de urea.
Urea en la naturaleza
La urea es producida por los mamíferos como producto de la eliminación del
amoníaco, el cuál es altamente tóxico para los mismos. El llamado ciclo de la
urea, es el proceso que consiste en la formación de urea a partir de amoníaco.
Es un proceso que consume energía, pero es indispensable para el quimismo
vital. En los humanos al igual que en el resto de los mamíferos, la urea es un
producto de desecho, producido cuando el cuerpo ha digerido las proteínas.
Esta es llevada a través de la sangre a los riñones, los cuales filtran la urea de
la sangre y la depositan en la orina. Un hombre adulto elimina
aproximadamente unos 28 g de urea por día.
Por otra parte, se encuentran en el suelo numerosas bacterias que liberan una
enzima llamada ureasa. La ureasa es una enzima hidrolítica que cataliza la
reacción de descomposición de urea por el agua, con formación de una
molécula de anhídrido carbónico y dos moléculas de amoníaco.
De ésta forma vemos que en dos situaciones distintas, en la naturaleza se
verifica la reacción en ambos sentidos.
Usos y aplicaciones
Los principales usos de la urea son:
Fertilizante
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 cuál 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:
NH2 – CO – NH2 2NH3 + CO2
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 en 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 practica de aplicar fertilizantes junto con las aplicaciones de
otros agroquímicos como complemento de un programa de fertilización
eficiente.
Industria química y plástica
Se encuentra presente en adhesivos, plásticos, resinas, tintas, productos
farmacéuticos y acabados para productos textiles, papel y metales.
Como suplemento alimentario para ganado
Se mezcla en el alimento del ganado y aporta nitrógeno, el cuál es vital en la
formación de las proteínas.
Producción de resinas
Como por ejemplo la resina urea-formaldehído. Estas resinas tienen varias
aplicaciones en la industria, como por ejemplo la producción de madera
aglomerada. También se usa en la producción de cosméticos y pinturas.
Producción industrial de urea
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 priera etapa es mucho más rápida que la segunda, con lo cuál 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 cuál 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.
1. Obtención de CO2
2. Obtención de amoníaco
3. Formación de carbamato
4. Degradación del carbamato y reciclado.
5. Síntesis de urea
6. 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 cuál 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
2 CH4 + 3 H2O CO + CO2 + 7 H2
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 + 3 H2 CH4 + H2O
CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
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:
7 CH4 + 10 H2O + 8 N2 + 2 O2 16 NH3 + 7 CO2
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 sintesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones (200 bar) y el
nivel térmico óptimo (190ªC) 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 contínua 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:
1. 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.
2. 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 –
190 ºC 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 mas lenta y endotérmica).
Formación de biuret
El biuret se forma cuando dos moléculas de urea se unen liberando una
molécula de amoníaco según
2 NH2 – CO – NH2 NH2 – CO – NH – CO – NH2 + NH3
Se trata de una sustancia altamente tóxica para las plantas, por lo cuál 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 Sintesis, 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 superiror 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.
