Hispanopedia Wiki
El proceso Bosch-Meiser es un proceso industrial para la fabricación a gran escala de urea , un valioso compuesto químico nitrogenado. Fue patentado en 1922 [ 1 ] y recibió su nombre en honor a sus descubridores, los químicos alemanes Carl Bosch y Wilhelm Meiser . [ 2 ]
Todo el proceso consta de dos reacciones de equilibrio principales , con conversión incompleta de los reactivos.
- La primera, llamada formación de carbamato : la rápida reacción exotérmica del amoníaco líquido con dióxido de carbono gaseoso ( CO 2 ) a alta temperatura y presión para formar carbamato de amonio ( [ NH 4 ] + [ NH 2 COO] − ): [ 3 ]
- 2 NH 3 + CO 2 ⇌ [ NH 4 ] + [ NH 2 COO] − (Δ H = −117 kJ/mol a 110 atmósferas estándar [11 000 kPa] y 160 °C [320 °F] ) [ 3 ] [ 4 ]
- La segunda, denominada conversión de urea : la descomposición endotérmica más lenta del carbamato de amonio en urea y agua:
- [ NH 4 ] + [ NH 2 COO] − ⇌ CO(NH 2 ) 2 + H 2 O (Δ H = +15,5kJ/mol a 160–180 °C [320–356 °F] ) [ 3 ] [ 4 ]
La conversión global de NH₃ y CO₂ a urea es exotérmica, y el calor de reacción de la primera reacción impulsa la segunda. Las condiciones que favorecen la formación de urea (alta temperatura) tienen un efecto desfavorable sobre el equilibrio de formación de carbamato. Las condiciones del proceso son un compromiso: el efecto negativo sobre la primera reacción de la alta temperatura (alrededor de 190 °C [374 °F] ) necesaria para la segunda se compensa llevando a cabo el proceso a alta presión ( 140–175 bares [14 000–17 500 kPa] ), lo que favorece la primera reacción. Si bien es necesario comprimir el dióxido de carbono gaseoso a esta presión, el amoníaco está disponible en estado líquido en la planta de producción de amoníaco , lo que permite bombearlo al sistema de forma mucho más económica. Para que la lenta reacción de formación de urea alcance el equilibrio, se necesita un gran espacio de reacción, por lo que el reactor de síntesis en una gran planta de urea suele ser un recipiente a presión de grandes dimensiones.
Reciclaje de reactivos
Debido a que la conversión de urea es incompleta, es necesario separar la urea de los reactivos no convertidos, incluido el carbamato de amonio. Los distintos procesos comerciales de producción de urea se caracterizan por las condiciones en las que se forma la urea y la forma en que se procesan posteriormente los reactivos no convertidos.
Procesos de reciclaje convencionales
En las primeras plantas de urea de proceso directo, la recuperación de reactivos (el primer paso del reciclaje) se realizaba reduciendo la presión del sistema a la atmosférica para que el carbamato se descompusiera en amoníaco y dióxido de carbono. Originalmente, dado que no era económico recomprimir el amoníaco y el dióxido de carbono para su reciclaje, el amoníaco se utilizaba, al menos, para la fabricación de otros productos como el nitrato de amonio o el sulfato de amonio , y el dióxido de carbono generalmente se desperdiciaba. Posteriormente, los procesos hicieron viable el reciclaje del amoníaco y el dióxido de carbono no utilizados. Esto se logró mediante el proceso de reciclaje total, desarrollado entre las décadas de 1940 y 1960 y conocido actualmente como proceso de reciclaje convencional. El proceso consiste en despresurizar la solución de reacción por etapas (primero a 18–25 bares [1800–2500 kPa] y luego a 2–5 bares [200–500 kPa] ) y hacerla pasar en cada etapa a través de un descomponedor de carbamato calentado por vapor , para luego recombinar el dióxido de carbono y el amoníaco resultantes en un condensador de carbamato de película descendente y bombear la solución de carbamato de vuelta al recipiente de reacción de urea. [ 3 ]
Proceso de reciclaje de despojos
El proceso de reciclaje convencional para recuperar y reutilizar los reactivos ha sido reemplazado en gran medida por un proceso de desorción , desarrollado a principios de la década de 1960 por Stamicarbon en los Países Bajos, que opera a la presión máxima o cerca de ella en el reactor. Este proceso reduce la complejidad del esquema de reciclaje multietapa y disminuye la cantidad de agua reciclada en la solución de carbamato, lo que afecta negativamente el equilibrio en la reacción de conversión de urea y, por lo tanto, la eficiencia general de la planta. Prácticamente todas las nuevas plantas de urea utilizan el desorción, y muchas plantas de urea con reciclaje total han adoptado este proceso. [ 3 ] [ 5 ]
En los procesos de reciclaje convencionales, la descomposición del carbamato se promueve reduciendo la presión total, lo que disminuye la presión parcial tanto del amoníaco como del dióxido de carbono, permitiendo la separación de estos gases de la solución de urea. El proceso de desorción logra un efecto similar sin disminuir la presión total, al suprimir la presión parcial de solo uno de los reactivos para promover la descomposición del carbamato. En lugar de alimentar el dióxido de carbono directamente al reactor de síntesis de urea junto con el amoníaco, como en el proceso convencional, el proceso de desorción primero dirige el dióxido de carbono a través del desorción. El desorción es un descomponedor de carbamato que proporciona un gran contacto gas-líquido. Esto elimina el amoníaco libre, reduciendo su presión parcial sobre la superficie del líquido y transportándolo directamente a un condensador de carbamato (también bajo la presión total del sistema). Desde allí, el licor de carbamato de amonio reconstituido pasa al reactor de producción de urea. Esto elimina la etapa de presión media del proceso de reciclaje convencional. [ 3 ] [ 5 ]
Reacciones secundarias
Las tres principales reacciones secundarias que producen impurezas tienen en común que descomponen la urea.
La urea se hidroliza de nuevo a carbamato de amonio en las etapas más calientes de la planta de síntesis, especialmente en el separador, por lo que los tiempos de residencia en estas etapas están diseñados para ser cortos. [ 3 ]
El biuret se forma cuando dos moléculas de urea se combinan con la pérdida de una molécula de amoníaco.
- 2 NH 2 CONH 2 → NH 2 CONHCONH 2 + NH 3
Normalmente, esta reacción se suprime en el reactor de síntesis manteniendo un exceso de amoníaco, pero después del separador, ocurre hasta que se reduce la temperatura. [ 3 ] El biuret es indeseable en los fertilizantes de urea porque es tóxico para las plantas cultivadas en diversos grados, [ 6 ] pero a veces es deseable como fuente de nitrógeno cuando se usa en la alimentación animal. [ 7 ]
El ácido isociánico HNCO y el amoníaco NH 3 resultan de la descomposición térmica del cianato de amonio [ NH 4 ] + [ OCN] − , que está en equilibrio químico con la urea:
- CO(NH 2 ) 2 → [ NH 4 ] + [ OCN] − → HNCO + NH 3
Esta descomposición es más grave cuando la solución de urea se calienta a baja presión, lo que ocurre al concentrarla para la granulación o el perlado (véase más adelante). Los productos de la reacción se volatilizan mayormente en los vapores superiores y se recombinan al condensarse para formar urea de nuevo, lo que contamina el condensado del proceso. [ 3 ]
Corrosión
Las soluciones de carbamato de amonio son altamente corrosivas para los materiales de construcción metálicos, incluso para las formas resistentes de acero inoxidable , especialmente en las partes más calientes de la planta de síntesis, como el despojador. Históricamente, la corrosión se ha minimizado (aunque no eliminado) mediante la inyección continua de una pequeña cantidad de oxígeno (en forma de aire) en la planta para establecer y mantener una capa de óxido pasiva en las superficies expuestas de acero inoxidable. Se han introducido materiales altamente resistentes a la corrosión para reducir la necesidad de oxígeno de pasivación, como los aceros inoxidables dúplex especializados en la década de 1990 y los tubos de circonio o titanio revestido de circonio en la década de 2000. [ 3 ]
Producción global
En 2022, la producción mundial de urea se estimó en aproximadamente 210 millones de toneladas (210 × 10 ^ 6 toneladas largas; 230 × 10 ^ 6 toneladas cortas) . [ 8 ]
Referencias
- ↑ "Proceso de fabricación de urea" (PDF) . Consultado el 24 de febrero de 2024 .
- ↑ US 1429483 , Carl Bosch y Wilhelm Meiser, "Proceso de fabricación de urea", emitido el 19 de septiembre de 1922, asignado a BASF
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Meessen, Jozef H.; Petersen, Harro (15 de junio de 2000). "Urea". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim, Alemania: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi : 10.1002/14356007.a27_333 . ISBN 978-3-527-30673-2.
- 1 2 Brouwer, Mark. "Termodinámica del proceso de la urea" (PDF) . ureaknowhow.com . Consultado el 26 de febrero de 2023 .
- ^ Meessen , Jozef (2014). "Síntesis de urea" . Chemie Ingenieur Technik . 86 (12). Wiley: 2180– 2189. doi : 10.1002/cite.201400064 . ISSN 0009-286X .
- ↑ Mikkelsen, R. L (1990). "Biuret en fertilizante de urea". Fertilizer Research . 26 ( 1– 3): 311– 318. doi : 10.1007/bf01048769 . ISSN 0167-1731 . S2CID 5970745 .
- ↑ Fonnesbeck, Paul V.; Kearl, Leonard C.; Harris, Lorin E. (1975). "Biuret de grado alimenticio como sustituto de proteínas para rumiantes. Una revisión" . Journal of Animal Science . 40 (6). Oxford University Press (OUP): 1150– 1184. doi : 10.2527/jas1975.4061150x . ISSN 0021-8812 .
- ↑ Perspectivas, Mercado del Membrillo (16 de noviembre de 2022). "El volumen del mercado de urea técnica alcanzará más de 210,34 millones de toneladas en 2022; Perspectivas del Mercado del Membrillo" . Sala de prensa de GlobeNewswire (Comunicado de prensa) . Consultado el 24 de febrero de 2024 .
- Ureas
- Fertilizantes
- procesos químicos
- procesos industriales
- Química del equilibrio
- Catálisis
- Inventos alemanes