Synthèse de l'urée

La synthèse industrielle de l'urée consiste en la réaction de l'ammoniac avec le dioxyde de carbone sous haute pression, conduisant d'abord à la formation de carbamate d'ammonium, lequel se déshydrate ensuite en urée et en eau. Les deux étapes se déroulent en phase liquide dans un même réacteur, sous des conditions d'équilibre. La conversion du dioxyde de carbone atteint généralement 50 à 80 %. La température favorise ce rendement, tout comme un rapport NH3/CO2 élevé, tandis qu'une forte proportion H2O/CO2 l'entame. Les conditions industrielles classiques se situent entre 140 et 250 bar, à 180-210 °C, avec un rapport molaire NH3/CO2 de 2,8:1 à 4:1 et un temps de séjour de 20 à 30 minutes^[1].

Réactions secondaires et contraintes de qualité

Plusieurs réactions d'équilibre accompagnent la formation d'urée. L'hydrolyse de l'urée, inverse de la synthèse, se produit en présence d'eau et peut être accélérée par un milieu acide ou alcalin. Le biuret se forme par condensation de deux molécules d'urée avec dégagement d'ammoniac ; sa teneur doit être limitée à 1,2 % maximum dans l'urée fertilisante, car ce composé peut provoquer des phytotoxicités, notamment lors d'applications foliaires. Pour l'urée de qualité technique, la spécification descend généralement à 0,3-0,4 %, voire moins de 0,15 % selon les exigences clients. L'acide isocyanique constitue un autre sous-produit, favorisé par les basses concentrations d'ammoniac et les températures élevées, notamment en section d'évaporation^[1].

Procédés de recyclage total

Pour améliorer le rendement global, l'industrie a développé des procédés de « recyclage total » qui séparent l'urée des réactifs non convertis pour les réinjecter dans le réacteur. Quatre grandes voies coexistent : les procédés conventionnels sans stripping (usines anciennes), le stripping au CO2 (Stamicarbon, ACES de Toyo), le stripping au NH3 (Snamprogetti) et le procédé IDR (Isobaric Double Recycling) de Montedison combinant les deux agents de stripping^[2].

Le procédé IDR illustre cette sophistication : la synthèse s'effectue à 180-200 bar et 185-190 °C avec un rapport NH3:CO2 d'environ 3,5-4, permettant une conversion de 70 % du CO2 par passage. Deux strippers successifs, fonctionnant à la pression du réacteur et chauffés par de la vapeur à 25 bar, assurent la séparation. Le premier décompose le carbamate, le second élimine l'ammoniac résiduel au moyen de CO2 comme agent d'entraînement. La chaleur de condensation du carbamate est récupérée sous forme de vapeur à 7 bar et réutilisée dans le procédé. Seuls 40 % de l'ammoniac frais transitent par le condenseur de carbamate, le surplus étant injecté directement dans le réacteur pour maîtriser la température^[3].

Consommation énergétique et structure des coûts

Un site efficient utilisant le gaz naturel requiert environ 35 GJ pour produire une tonne d'ammoniac, soit 42 GJ par tonne d'azote. La conversion en urée ajoute 3 à 4 MMBtu par tonne de produit, portant la consommation totale à environ 51 GJ/t d'azote. Les usines au charbon, majoritaires en Chine, consomment 50 à 100 % d'énergie supplémentaire par unité d'azote produite^[4].

L'ammoniac représente le poste dominant des coûts décaissés. Il faut 0,58 tonne d'ammoniac par tonne d'urée. À titre illustratif pour le golfe des États-Unis, avec un gaz à 7 USD/MMBtu et une consommation de 36 MMBtu/t NH3, le coût de l'ammoniac s'établit à 169 USD/t d'urée. L'ajout du gaz de procédé spécifique à l'urée (5,2 MMBtu/t) et des autres coûts de production porte le coût décaissé total à 251 USD/t d'urée, hors fret et chargement estimés à 8 USD/t. Le gaz naturel constitue ainsi environ 72 % du coût de production^[5].

Finition et applications non fertilisantes

L'urée en solution issue des étapes de synthèse et de recyclage est concentrée par évaporation ou cristallisation, puis fondue pour être transformée en solide par prilling ou granulation. Certaines unités produisent exclusivement pour la fabrication de mélamine^[2].

Les débouchés industriels absorbent environ 19 % de la demande mondiale d'urée (données 2023), contre 23 % pour l'ensemble de l'azote. L'urée couvre à elle seule près de 48 % de la consommation industrielle d'azote. Les résines urée-formaldéhyde, utilisées comme liants, représentent 46 % de l'usage non fertilisant de l'urée. Le liquide pour traitement des échappements diesel constitue un segment à forte croissance, tiré par la réglementation sur les émissions de NOx des poids lourds et du secteur électrique^[6].