NITROGENO – Fertilizantes Nitrogenados

NITROGENO – Fertilizantes Nitrogenados

El nitrógeno (N) es un nutriente esencial para el crecimiento de las plantas. Forma parte de cada célula viva. Las plantas requieren grandes cantidades de nitrógeno para crecer normalmente. El nitrógeno es necesario para la síntesis de la clorofila y como parte de la molécula de clorofila está involucrado en el proceso de fotosíntesis. Es un componente de los sistemas de energía de las plantas. También es un componente esencial de los aminoácidos, los cuales forman proteínas; por lo tanto el nitrógeno es directamente responsable del crecimiento de las plantas y del incremento de proteínas en ellas.

La falta de nitrógeno provoca plantas con menos hojas, las gramíneas macollan menos, y pueden madurar más rápidamente generando claramente una menor producción.

Las plantas aprovechan principalmente los iones de nitrato y otros componentes solubles al agua presentes en el suelo, que se denomina nitrógeno inorgánico. En menor medida y lentamente pueden aprovechar además otras fuentes de nitrógeno inorgánico presentes en forma de amonio.

Aparte de ello el suelo presenta una proporción relativamente alta de nitrógeno orgánico (no disponible ni aprovechable por las plantas), una pequeña proporción pasa a nitrógeno inorgánico por medio de la descomposición y nitrificación (disponible y aprovechable).

Nutrición Nitrogenada

A fin de reponer los nutrientes extraídos, hace ya tiempo se comenzó a utilizar una fuente de nitrógeno concentrada y con origen en la minería: el salitre. Se trata de una mezcla de Nitrato de Sodio y Nitrato de Potasio que se encuentra en algunas minas en países como Chile.

Sin embargo en la actualidad, la mayoría de los fertilizantes nitrogenados disponibles en el mercado, son producidos por síntesis química. Así como la industria petroquímica se desarrolla a partir del petróleo, toda la química de los fertilizantes nitrogenados, se origina a partir del amoníaco. La producción de amoníaco a nivel industrial mediante el proceso Haber – Bosch data de principios del siglo 20, hito en la elaboración de productos orgánicos por vía de síntesis química.

A partir del amoníaco se elaboran los principales fertilizantes nitrogenados: urea, UAN, nitrato de amonio (NA)  y nitrato de amonio estabilizado con calcio (CAN). Además el amoníaco se utiliza para la elaboración de otros fertilizantes fundamentales que aportan principalmente fósforo y en forma secundaria nitrógeno como es el caso del fosfato monoamónico (MAP) y el fosfato diamónico (DAP).

Producción de Amoníaco

El  amoníaco (NH3) es un gas producido a partir de hidrocarburos (principalmente gas natural) y aire con el Proceso de Haber-Bosch.

Este proceso, conjuntamente con la reformación de gas natural (metano), produce la necesaria cantidad de hidrógeno que reacciona con el nitrógeno extraído del aire para formar amoníaco. El dióxido de carbono, que es co-producido, es utilizado luego con el amoníaco para formar urea.
El amoníaco es una sustancia química industrial común, pero su uso más importante en todo el mundo es la fabricación de urea.  La mayoría de las nuevas plantas orientadas a la exportación de amoniaco y/o urea, utilizan  gas natural como materia prima.

Diagrama de producción de fertilizantes a partir del amoníaco

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Mercado

En el mundo  se producen más de 177 millones de toneladas año de Amoniaco. Se utilizan más de 700 plantas cuya capacidades diarias de producción van desde la 90 Tn./d hasta las 3.300 Tn/d, siendo las de alta capacidad 1500-2300 Tn/d las mayormente elegidas en estos últimos 10 años. La producción de Urea utiliza dos materias primas amoniaco líquido y gas de dióxido de carbono  (CO2) las cuales son suministradas de manera continua desde la planta de amoniaco, ya que ambos compuestos químicos son los productos obtenidos de esta cuando se le ha alimentado con hidrocarburos: gas natural, nafta, fuel oil o carbón gasificado, lo cual representa virtualmente el 100 % de los casos.

Mundialmente unas 110 millones de toneladas año de amoniaco se destinan en forma cautiva a la producción de Urea, unos 30 millones de toneladas año para uso industrial y unas 37 millones de toneladas año en el resto de los fertilizantes que se detallan a continuación, con su contenido típico de Nitrógeno y consumo  de amoníaco requerido para su fabricación en Ton de amoniaco /Tn de Producto.

Hoy en día las capacidades de producción de Urea Granulada en un solo tren, han alcanzado las  3850 Tn/d. Siendo ésta unas de las capacidades elegidas en la actualidad.

Materia prima

El Gas natural (GN) es el  responsable de más del 67 % del amoniaco producido, el carbón (27%) y el resto lo explica la Nafta, Fuel Oil, cortes pesados, etc.

Las razones por lo cual se ha preferido al GN sobre los otros combustibles son varias entre ellas las principales: procesos de mayor eficiencia energética, menor costo de inversión y menor costo de producción.

La elección de la materia prima depende de la disponibilidad y matriz energética de cada país.

Tabla 1: Relación entras los diferentes combustibles para la producción de amoniaco 

Inversión Requerida

A modo de contar con un orden de magnitud actual (2010-2011), la inversión requerida  para instalar una planta tipo Grassroot/World Class de 2.000 Tn./d de amoniaco, en Argentina, es de aproximadamente 750 - 900 millones de u$s.  Se considera provisión de agua dulce como make up  para Torre de enfriamiento y agua (Demi) de caldera. No se considera Generación de Energía Eléctrica.  

Inversión  de Complejo Amoníaco/Urea

Base

• Costa del Golfo
• Gras Root Plant Worl Class, lugar semi desarrollado
• Capacidad de Producción de Amoniaco               2000-2300 mt/d
• Capacidad de Producción de Urea Granulada       3200 3850 mt/d
• Generación in situ  de EE                                 30-40  MWH
• Inversión  Final                                                        1.400-1.600 MM  u$s

Continuidad operativa

Una de las claves en los procesos de producción de amoníaco, es lograr una continuidad operativa muy alta y por este motivo a nivel internacional se apunta a que las plantas operen más del 95% del tiempo disponible, pues la producción se basa en muy altas temperaturas a las que se elevan tanto las materias primas como el conjunto industrial.

Las paradas, se programan con mucho tiempo de anticipación y buscan resolver problemas mecánicos o realizar el reemplazo de catalizadadores agotados. Además de las paradas programadas, se producen ocasionalmente paradas no programadas asociadas a problemas técnicos que requieren una intervención inmediata.

Para lograr valores tan elevados de continuidad operativa es crucial contar con el abastecimiento confiable de las materias primas de proceso: gas natural, agua y electricidad.

La necesidad de una alta continuidad operativa se basa en los siguientes motivos

• Vida útil de los equipos: las condiciones de temperatura y presión en los equipos de proceso son realmente críticas. Cada vez que se realiza una parada de planta se acorta la vida útil de los equipos. Esto se debe a los cambios metalográficos y las importantes dilataciones/contracciones que se producen en cada proceso de parada/arranque. La repetición de estos ciclos lleva a roturas de equipo y en muchos casos a la necesidad de reemplazo de los mismos, hecho que origina nuevos costos y nuevas paradas de planta. 
• Tiempos muertos: para minimizar los daños a los equipos que se producen en los procesos de parada/arranque es necesario realizar los procesos de enfriado y calentamiento en forma muy gradual. Por este motivo hay que considerar que desde el momento en que se toma la decisión de realizar una parada de planta hasta que la misma se finaliza transcurren cerca de 48 hrs. Posteriormente desde que se reinicia la puesta en marcha hasta que se tiene producción nuevamente 48/72 hrs. Por este motivo una decisión de parada/arranque significa sacar de servicio a la planta como mínimo entre 4 y 5 días. Estos tiempos pueden incrementarse significativamente si se producen problemas durante la maniobra o roturas de equipos.
• Ambientales y de seguridad: cada vez que uno realiza una parada/arranque de planta se sale del estado estacionario. Esto significa que las variables de proceso se modifican continuamente y es necesario realizar el tratamiento de todas las corrientes de proceso que se encuentran dentro de la planta. Hay que enviar a antorcha todas las corrientes gaseosas y tratar de sacar de los equipos las corrientes líquidas. Si bien las plantas están diseñadas para estas situaciones, sin lugar a dudas los riesgos de rotura de equipos o generación de emisiones no controladas aumentan significativamente.
• Riesgos Reducción de costos: las inversiones en este tipo de plantas, son realmente significativas con lo cual, para mantener una estructura de costos competitiva y poder absorber la amortización de las mismas, se requiere maximizar los niveles de producción

Producción de Urea

Prilling o Perlado

El producto es obtenido a partir de una solución concentrada de urea del 99,7% p/p de concertación o urea melt o fundida. Esta solución es enviada hasta el tope de una torre de perlado (prilling), usualmente un cilindro de H°/ Estructura metálica de varios metros de altura > 90 m, y varios metros de diámetro >20 m, por dentro de la cual desciende en caída libre la urea en formas de gotas al inicio y esfera sólidas al final de la caída .

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