Produzione Urea, Processi chimici

Urea

L'urea è utilizzata principalmente come fertilizzante per la grande quantità di azoto contenuto. In quegli anni l'urea, più che come fertilizzante, era utilizzata in vari campi dell'industria organica. Questo processo di idratazione della cianammide è un processo storico che non ha più interesse dal 1913, anno in cui è stata messa a punto la sintesi di ammoniaca.

Sintesi di Basaroff

• Produzione di carbammato. Reazione veloce ed esotermica.
• Disidratazione del carbammato. Reazione lenta ed endotermica. Da qui ottengo l'urea.

La sintesi dell'urea consuma CO2. Il grafico rappresenta come è cambiata la capacità installata nel mondo di produzione dell'urea. È una produzione che, tranne in alcuni periodi di crisi, è andata crescendo grazie alla crescente necessità di fertilizzanti per alimentare la popolazione sempre maggiore. Dal grafico vediamo che la capacità installata è sempre superiore alla domanda. In impianto le condizioni di funzionamento ottimali sono al 100%, ma per avere un margine di sicurezza si marcia sempre all'85-90% della loro capacità produttiva, questo in generale per mantenere una buona economia nella gestione del processo.

L'urea a temperatura ambiente è solida, ad alte temperature prima fonde e poi si decompone. In soluzioni concentrate forma biureto e triureto che sono velenosi per le piante e quindi è necessario evitare la loro formazione.

Altri utilizzi dell'urea

La metilenurea è più compatta dell'urea e idrolizza più difficilmente, rilasciando azoto e CO2 più lentamente. Dalle ammino-resine derivano le resine melamminiche, che sono lucenti e vengono utilizzate per le placche degli interruttori e per ricoprire le tavolette dei bagni.

Caratteristiche chimico-fisiche

• L'urea è solida a temperatura ambiente
• È più densa dell'acqua, viene venduta in granuli con la densità in bulk scritta in tabella.
• Ha una buona solubilità in acqua e la solubilità tende a crescere con la temperatura

La produzione

La reazione avviene in due step contemporanei:

• Produzione di carbammato
• Disidratazione di carbammato a produrre urea e acqua.

Si fanno avvenire insieme per sfruttare l'esotermicità della prima reazione per far avvenire la seconda. La prima reazione avviene con diminuzione del numero di moli, quindi si opera a P alta: P=200 bar. È importante decidere quale reagente consumare e quale usare in eccesso. Il reagente più pregiato è CO2, quindi si lavora con eccesso di NH3.

Andamenti del consumo di CO2 e NH3

Le reazioni sono due equilibri: la prima è fortemente spostata a destra, la seconda solo parzialmente perché non è possibile portarla a completamento. Il massimo della conversione di CO2 e NH3 si ha nella stessa temperatura (195°C). Tuttavia, NH3 ha una conversione massima minore di CO2. Nella reazione di solito si consuma tra il 50% e il 75% di CO2 se sono in eccesso di NH3 e il 43% di NH3 se sono in eccesso di CO2.

Notiamo che nei rapporti fissati c'è l'acqua che è un prodotto e tende a far retrocedere la reazione. Una caratteristica del processo è che nonostante tutto, in miscela, una parte di acqua si ha sempre. Aumentando il contenuto di acqua nella miscela in ingresso diminuisce la conversione, questo ovviamente perché l'acqua è un prodotto e sposta la reazione verso sinistra. Prima si ricircolava l'ammoniaca e non la CO2, quindi ci si metteva nelle condizioni di massimo consumo di CO2 che non veniva ricircolata. Ora si lavora a ricircolo totale, quindi ci si basa sulla massima resa di urea, per cui il rapporto NH3 CO2 è quello imposto dalla stechiometria cioè 1:3 a T=190°C circa. Si lavora sempre in leggero eccesso di NH3 per un discorso di resa in urea liquida.

Reazioni parassite

1. Idrolisi urea: Reazione reversibile favorita da P bassa. È un processo molto lento, quindi non dà troppi problemi. L'urea in presenza di acqua può trasformarsi in carbammato che si può trasformare in NH3 e CO2.