La urea , también llamada carbamida (por ser una diamida del ácido carbónico ), es un compuesto orgánico de fórmula química CO(NH 2 ) 2 . Esta amida tiene dos grupos amino ( –NH 2 ) unidos por un grupo funcional carbonilo (–C(=O)–). Por tanto, es la amida más simple del ácido carbámico .
La urea desempeña un papel importante en el metabolismo de los compuestos que contienen nitrógeno en los animales y es la principal sustancia que contiene nitrógeno en la orina de los mamíferos . Urea es neolatina , del francés urée , del griego antiguo οὖρον ( oûron ) 'orina', a su vez del protoindoeuropeo *h₂worsom .
Es un sólido incoloro e inodoro, muy soluble en agua y prácticamente no tóxico ( la LD 50 es de 15 g/kg para ratas). [6] Disuelto en agua, no es ni ácido ni alcalino . El organismo lo utiliza en muchos procesos, entre los que destaca la excreción de nitrógeno . El hígado lo forma combinando dos moléculas de amoníaco ( NH 3 ) con una molécula de dióxido de carbono ( CO 2 ) en el ciclo de la urea . La urea se utiliza ampliamente en fertilizantes como fuente de nitrógeno (N) y es una materia prima importante para la industria química .
En 1828, Friedrich Wöhler descubrió que la urea se puede producir a partir de materiales de partida inorgánicos, lo que supuso un importante hito conceptual en la química. Esto demostró por primera vez que una sustancia que antes sólo se conocía como un subproducto de la vida podía sintetizarse en el laboratorio sin materias primas biológicas, contradiciendo así la doctrina ampliamente difundida del vitalismo , que afirmaba que sólo los organismos vivos podían producir las sustancias químicas de la vida.
La molécula de urea es plana cuando está en un cristal sólido debido a la hibridación sp 2 de los orbitales N. [7] [8] No es plano con simetría C 2 cuando está en fase gaseosa [9] o en solución acuosa, [8] con ángulos de enlace C – N – H y H – N – H que son intermedios entre los ángulo plano trigonal de 120° y el ángulo tetraédrico de 109,5°. En la urea sólida, el centro de oxígeno está unido por dos enlaces de hidrógeno N–H–O . La red de enlaces de hidrógeno resultante, densa y energéticamente favorable, probablemente se establece a costa de un empaquetamiento molecular eficiente: la estructura es bastante abierta y las cintas forman túneles con sección transversal cuadrada. El carbono de la urea se describe como hibridado sp 2 , los enlaces CN tienen un carácter de doble enlace significativo y el oxígeno del carbonilo es relativamente básico. La alta solubilidad acuosa de la urea refleja su capacidad para formar extensos enlaces de hidrógeno con el agua.
En virtud de su tendencia a formar estructuras porosas, la urea tiene la capacidad de atrapar muchos compuestos orgánicos. En estos llamados clatratos , las moléculas orgánicas "huéspedes" se mantienen en canales formados por hélices interpenetrantes compuestas de moléculas de urea unidas por hidrógeno . [10]
Como las hélices están interconectadas, todas las hélices de un cristal deben tener la misma orientación molecular . Esto se determina cuando el cristal se nuclea y, por lo tanto, puede forzarse mediante siembra. Los cristales resultantes se han utilizado para separar mezclas racémicas . [10]
La urea es básica y se protona fácilmente. También es una base de Lewis , formando complejos metálicos del tipo [M(urea) 6 ] n + .
La urea reacciona con los ésteres malónicos para producir ácidos barbitúricos .
La urea fundida se descompone en cianato de amonio a aproximadamente 152 °C y en amoníaco y ácido isociánico por encima de 160 °C: [11]
Calentar por encima de 160 °C produce biuret NH 2 CONHCONH 2 y triuret NH 2 CONHCONHCONH 2 mediante reacción con ácido isociánico: [12] [11]
A temperaturas más altas, se convierte en una variedad de productos de condensación , incluido el ácido cianúrico (CNOH) 3 , guanidina HNC (NH 2 ) 2 y melamina . [12] [11]
En solución acuosa, la urea se equilibra lentamente con el cianato de amonio. Esta hidrólisis cogenera ácido isociánico , que puede carbamilar proteínas, en particular el grupo amino N-terminal, la cadena amino de la lisina y, en menor medida, las cadenas laterales de la arginina y la cisteína . [13] [14] Cada evento de carbamilación agrega 43 daltons a la masa de la proteína, lo que se puede observar en la espectrometría de masas de proteínas . [14] Por esta razón, las soluciones de urea pura deben prepararse y usarse recientemente, ya que las soluciones envejecidas pueden desarrollar una concentración significativa de cianato (20 mM en 8 M de urea). [14] Un procedimiento de preparación recomendado es disolver urea en agua ultrapura y luego eliminar los iones (es decir, cianato) con una resina de intercambio iónico de lecho mixto y almacenar esa solución a 4 °C. [15] Sin embargo, el cianato volverá a acumularse a niveles significativos en unos pocos días. [14] Alternativamente, agregar cloruro de amonio de 25 a 50 mM a una solución concentrada de urea disminuye la formación de cianato debido al efecto del ion común . [14] [16]
La urea se cuantifica fácilmente mediante varios métodos diferentes, como el método colorimétrico de diacetil monoxima y la reacción de Berthelot (después de la conversión inicial de urea en amoníaco mediante ureasa). Estos métodos son susceptibles de instrumentación de alto rendimiento, como analizadores de inyección de flujo automatizados [17] y espectrofotómetros de microplacas de 96 pocillos. [18]
Las ureas describen una clase de compuestos químicos que comparten el mismo grupo funcional, un grupo carbonilo unido a dos residuos de amina orgánica: R 1 R 2 N−C(=O)−NR 3 R 4 , donde R 1 , R 2 , R 3 y los grupos R4 son hidrógeno ( –H), organilo u otros grupos. Los ejemplos incluyen peróxido de carbamida , alantoína e hidantoína . Las ureas están estrechamente relacionadas con los biurets y en estructura con amidas , carbamatos , carbodiimidas y tiocarbamidas .
Más del 90% de la producción industrial mundial de urea se destina a su uso como fertilizante liberador de nitrógeno . [12] La urea tiene el mayor contenido de nitrógeno de todos los fertilizantes nitrogenados sólidos de uso común. Por lo tanto, tiene un bajo costo de transporte por unidad de nutriente nitrogenado . La impureza más común de la urea sintética es el biuret , que perjudica el crecimiento de las plantas. La urea se descompone en el suelo para dar iones de amonio ( NH+4). La planta absorbe el amonio a través de sus raíces. En algunos suelos, las bacterias oxidan el amonio para dar nitrato ( NO−3), que también es un nutriente vegetal rico en nitrógeno. La pérdida de compuestos nitrogenados a la atmósfera y la escorrentía es un desperdicio y perjudicial para el medio ambiente, por lo que a veces la urea se modifica para mejorar la eficiencia de su uso agrícola. Las técnicas para fabricar fertilizantes de liberación controlada que retardan la liberación de nitrógeno incluyen la encapsulación de urea en un sellador inerte y la conversión de urea en derivados como compuestos de urea-formaldehído , que se degradan en amoníaco a un ritmo que coincide con los requisitos nutricionales de las plantas.
La urea es una materia prima para la fabricación de resinas de urea-formaldehído , utilizada principalmente en paneles a base de madera como tableros de partículas , tableros de fibra y madera contrachapada .
La urea se puede utilizar para fabricar nitrato de urea , un potente explosivo que se utiliza industrialmente y como parte de algunos dispositivos explosivos improvisados .
La urea se utiliza en reacciones de reducción selectiva no catalítica (SNCR) y de reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir los contaminantes NO x en los gases de escape de la combustión de motores diésel , de combustible dual y de gas natural de mezcla pobre . El sistema BlueTec , por ejemplo, inyecta una solución de urea a base de agua en el sistema de escape. El amoníaco ( NH 3 ) producido por la hidrólisis de la urea reacciona con óxidos de nitrógeno ( NO x ) y se convierte en gas nitrógeno ( N 2 ) y agua dentro del convertidor catalítico. La conversión de NOx nocivos en N2 inocuos se describe mediante la siguiente ecuación global simplificada: [ 19]
Cuando se utiliza urea, se produce una reacción previa (hidrólisis) para convertirla primero en amoníaco:
Al ser un sólido altamente soluble en agua (545 g/L a 25 °C), [2] la urea es mucho más fácil y segura de manipular y almacenar que el amoníaco ( NH 3 ), más irritante , cáustico y peligroso , por lo que es el reactivo de elección. Los camiones y automóviles que utilizan estos convertidores catalíticos necesitan llevar un suministro de líquido de escape diésel , también vendido como AdBlue , una solución de urea en agua.
La urea en concentraciones de hasta 10 M es un potente desnaturalizante de proteínas , ya que rompe los enlaces no covalentes de las proteínas. Esta propiedad se puede aprovechar para aumentar la solubilidad de algunas proteínas. Se utiliza una mezcla de urea y cloruro de colina como disolvente eutéctico profundo (DES), una sustancia similar al líquido iónico . Cuando se utiliza en un disolvente eutéctico profundo, la urea desnaturaliza gradualmente las proteínas que se solubilizan. [20]
En principio, la urea puede servir como fuente de hidrógeno para la posterior generación de energía en pilas de combustible . La urea presente en la orina/aguas residuales se puede utilizar directamente (aunque las bacterias normalmente degradan rápidamente la urea). La producción de hidrógeno por electrólisis de una solución de urea se produce a un voltaje más bajo (0,37 V ) y por lo tanto consume menos energía que la electrólisis del agua (1,2 V ). [21]
Se puede utilizar urea en concentraciones de hasta 8 M para hacer que el tejido cerebral fijado sea transparente a la luz visible y al mismo tiempo preservar las señales fluorescentes de las células marcadas. Esto permite obtener imágenes mucho más profundas de los procesos neuronales que las que se obtenían anteriormente utilizando microscopios confocales convencionales de uno o dos fotones. [22]
Las cremas que contienen urea se utilizan como productos dermatológicos tópicos para favorecer la rehidratación de la piel . La urea al 40% está indicada en psoriasis , xerosis , onicomicosis , ictiosis , eczemas , queratosis , queratodermia , durezas y callosidades . Si están cubiertas por un vendaje oclusivo , también se pueden utilizar preparaciones de urea al 40% para el desbridamiento no quirúrgico de las uñas . La urea al 40% "disuelve la matriz intercelular" [23] [24] de la placa ungueal. Sólo se eliminan las uñas enfermas o distróficas, ya que no hay ningún efecto en las partes sanas de la uña. [25] Este medicamento (como peróxido de carbamida ) también se utiliza como ayuda para eliminar el cerumen. [26]
La urea también se ha estudiado como diurético . Fue utilizada por primera vez por el Dr. W. Friedrich en 1892. [27] En un estudio de 2010 de pacientes de la UCI, la urea se usó para tratar la hiponatremia euvolémica y se encontró que era segura, económica y simple. [28]
Al igual que la solución salina , se ha inyectado urea en el útero para inducir el aborto , aunque este método ya no se utiliza de forma generalizada. [29]
La prueba de nitrógeno ureico en sangre (BUN) es una medida de la cantidad de nitrógeno en la sangre que proviene de la urea. Se utiliza como marcador de la función renal , aunque es inferior a otros marcadores como la creatinina porque los niveles de urea en sangre están influenciados por otros factores como la dieta, la deshidratación [30] y la función hepática.
La urea también se ha estudiado como excipiente en la formulación de recubrimiento de balón recubierto de fármaco (DCB) para mejorar la administración local del fármaco a los vasos sanguíneos estenóticos. [31] [32] Se descubrió que la urea, cuando se utiliza como excipiente en pequeñas dosis (~3 μg/mm 2 ) para recubrir la superficie de DCB, forma cristales que aumentan la transferencia de fármacos sin efectos tóxicos adversos sobre las células endoteliales vasculares . [33]
La urea marcada con carbono-14 o carbono-13 se utiliza en la prueba de urea en el aliento , que se utiliza para detectar la presencia de la bacteria Helicobacter pylori ( H. pylori ) en el estómago y el duodeno de los humanos, asociada con úlceras pépticas . La prueba detecta la característica enzima ureasa , producida por H. pylori , mediante una reacción que produce amoniaco a partir de urea. Esto aumenta el pH (reduce la acidez) del ambiente del estómago alrededor de las bacterias. Se pueden identificar especies de bacterias similares a H. pylori mediante la misma prueba en animales como simios , perros y gatos (incluidos los grandes felinos ).
Los aminoácidos de los alimentos ingeridos (o producidos a partir del catabolismo de las proteínas musculares) que se utilizan para la síntesis de proteínas y otras sustancias biológicas pueden ser oxidados por el cuerpo como fuente alternativa de energía, produciendo urea y dióxido de carbono . [41] La vía de oxidación comienza con la eliminación del grupo amino por una transaminasa ; el grupo amino luego se introduce en el ciclo de la urea . El primer paso en la conversión de aminoácidos en desechos metabólicos en el hígado es la eliminación del nitrógeno alfa-amino, que produce amoníaco . Debido a que el amoníaco es tóxico, los peces lo excretan inmediatamente, las aves lo convierten en ácido úrico y los mamíferos lo convierten en urea. [42]
El amoníaco ( NH 3 ) es un subproducto común del metabolismo de los compuestos nitrogenados. El amoníaco es más pequeño, más volátil y más móvil que la urea. Si se permitiera que se acumulara, el amoníaco elevaría el pH de las células a niveles tóxicos. Por tanto, muchos organismos convierten el amoníaco en urea, aunque esta síntesis tiene un coste energético neto. Al ser prácticamente neutra y altamente soluble en agua, la urea es un vehículo seguro para que el cuerpo transporte y excrete el exceso de nitrógeno.
La urea se sintetiza en el organismo de muchos organismos como parte del ciclo de la urea , ya sea a partir de la oxidación de aminoácidos o a partir de amoníaco . En este ciclo, los grupos amino donados por el amoníaco y el L - aspartato se convierten en urea, mientras que la L - ornitina , la citrulina , el L - argininosuccinato y la L - arginina actúan como intermediarios. La producción de urea se produce en el hígado y está regulada por el N -acetilglutamato . Luego, la urea se disuelve en la sangre (en el rango de referencia de 2,5 a 6,7 mmol/L) y luego se transporta y se excreta por el riñón como un componente de la orina . Además, una pequeña cantidad de urea se excreta (junto con cloruro de sodio y agua) a través del sudor .
En el agua, los grupos amina sufren un lento desplazamiento por parte de las moléculas de agua, produciendo amoníaco, iones amonio e iones bicarbonato . Por esta razón, la orina vieja y rancia tiene un olor más fuerte que la orina fresca.
El ciclo y la excreción de urea por los riñones es una parte vital del metabolismo de los mamíferos. Además de su papel como transportador de nitrógeno residual, la urea también desempeña un papel en el sistema de intercambio a contracorriente de las nefronas , que permite la reabsorción de agua e iones críticos de la orina excretada . La urea se reabsorbe en los conductos colectores medulares internos de las nefronas, [43] aumentando así la osmolaridad en el intersticio medular que rodea la delgada rama descendente del asa de Henle , lo que hace que el agua se reabsorba.
Por acción del transportador de urea 2 , parte de esta urea reabsorbida finalmente regresa a la delgada rama descendente del túbulo, [44] a través de los conductos colectores y a la orina excretada. El cuerpo utiliza este mecanismo, que está controlado por la hormona antidiurética , para crear orina hiperosmótica , es decir, orina con una mayor concentración de sustancias disueltas que el plasma sanguíneo . Este mecanismo es importante para evitar la pérdida de agua, mantener la presión arterial y mantener una concentración adecuada de iones de sodio en el plasma sanguíneo.
El contenido de nitrógeno equivalente (en gramos ) de urea (en mmol ) puede estimarse mediante el factor de conversión de 0,028 g/mmol. [45] Además, 1 gramo de nitrógeno equivale aproximadamente a 6,25 gramos de proteína , y 1 gramo de proteína equivale aproximadamente a 5 gramos de tejido muscular . En situaciones como la atrofia muscular , 1 mmol de exceso de urea en la orina (medido por el volumen de orina en litros multiplicado por la concentración de urea en mmol/L) corresponde aproximadamente a una pérdida muscular de 0,67 gramos.
En los organismos acuáticos , la forma más común de desperdicio de nitrógeno es el amoníaco, mientras que los organismos terrestres convierten el amoníaco tóxico en urea o ácido úrico . La urea se encuentra en la orina de mamíferos y anfibios , así como en la de algunos peces. Las aves y los reptiles saurios tienen una forma diferente de metabolismo del nitrógeno que requiere menos agua y conduce a la excreción de nitrógeno en forma de ácido úrico. Los renacuajos excretan amoníaco, pero pasan a producir urea durante la metamorfosis . A pesar de la generalización anterior, la vía de la urea se ha documentado no sólo en mamíferos y anfibios, sino también en muchos otros organismos, incluidos pájaros, invertebrados , insectos, plantas, levaduras , hongos e incluso microorganismos . [46]
La urea puede irritar la piel, los ojos y el tracto respiratorio. El contacto repetido o prolongado con urea en forma de fertilizante en la piel puede causar dermatitis . [47]
Las altas concentraciones en la sangre pueden ser dañinas. La ingestión de bajas concentraciones de urea, como las que se encuentran en la orina humana típica , no es peligrosa con la ingestión adicional de agua dentro de un período de tiempo razonable. Muchos animales (por ejemplo , camellos , roedores o perros) tienen una orina mucho más concentrada que puede contener una cantidad de urea mayor que la orina humana normal.
La urea puede provocar que la proliferación de algas produzca toxinas, y su presencia en la escorrentía de la tierra fertilizada puede desempeñar un papel en el aumento de la proliferación tóxica. [48]
La sustancia se descompone al calentarla por encima del punto de fusión, produciendo gases tóxicos y reacciona violentamente con oxidantes fuertes, nitritos, cloruros inorgánicos, cloritos y percloratos, provocando incendios y explosiones. [49]
La urea fue descubierta por primera vez en la orina en 1727 por el científico holandés Herman Boerhaave , [50] aunque este descubrimiento a menudo se atribuye al químico francés Hilaire Rouelle y a William Cruickshank . [51]
Boerhaave utilizó los siguientes pasos para aislar la urea: [52] [53]
En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler obtuvo urea artificialmente tratando cianato de plata con cloruro de amonio . [54] [55] [56]
Esta fue la primera vez que se sintetizó artificialmente un compuesto orgánico a partir de materiales de partida inorgánicos, sin la participación de organismos vivos. Los resultados de este experimento desacreditaron implícitamente el vitalismo , la teoría de que las sustancias químicas de los organismos vivos son fundamentalmente diferentes de las de la materia inanimada. Esta idea fue importante para el desarrollo de la química orgánica . Su descubrimiento impulsó a Wöhler a escribir triunfalmente a Jöns Jakob Berzelius :
De hecho, su segunda frase fue incorrecta. El cianato de amonio [NH 4 ] + [OCN] − y la urea CO(NH 2 ) 2 son dos sustancias químicas diferentes con la misma fórmula empírica CON 2 H 4 , que están en equilibrio químico favoreciendo enormemente a la urea en condiciones estándar . [57] Independientemente, con su descubrimiento, Wöhler se aseguró un lugar entre los pioneros de la química orgánica.
La urea fue descubierta por primera vez por Herman Boerhaave a principios del siglo XVIII a partir de la evaporación de la orina. En 1773, Hilaire Rouelle obtuvo cristales que contenían urea a partir de orina humana evaporándola y tratándola con alcohol en sucesivas filtraciones. [58] Este método fue ayudado por el descubrimiento de Carl Wilhelm Scheele de que la orina tratada con ácido nítrico concentrado precipitaba cristales. Antoine François, conde de Fourcroy y Louis Nicolas Vauquelin descubrieron en 1799 que los cristales nitrados eran idénticos a la sustancia de Rouelle e inventaron el término "urea". [59] [60] Berzelius realizó nuevas mejoras en su purificación [61] y finalmente William Prout , en 1817, logró obtener y determinar la composición química de la sustancia pura. [62] En el procedimiento evolucionado, la urea se precipitó como nitrato de urea añadiendo ácido nítrico fuerte a la orina. Para purificar los cristales resultantes, se disolvieron en agua hirviendo con carbón y se filtraron. Después del enfriamiento se forman cristales puros de nitrato de urea. Para reconstituir la urea a partir del nitrato, los cristales se disuelven en agua tibia y se añade carbonato de bario . Luego se evapora el agua y se añade alcohol anhidro para extraer la urea. Esta solución se escurre y se evapora, quedando urea pura.
Se puede acceder a las ureas en el sentido más general en el laboratorio mediante la reacción del fosgeno con aminas primarias o secundarias :
Estas reacciones se desarrollan a través de un intermediario isocianato . Se puede acceder a las ureas asimétricas mediante la reacción de aminas primarias o secundarias con un isocianato.
La urea también se puede producir calentando cianato de amonio a 60 °C.
En 2020, la capacidad de producción mundial fue de aproximadamente 180 millones de toneladas. [63]
Para su uso en la industria, la urea se produce a partir de amoníaco sintético y dióxido de carbono . Como durante el proceso de fabricación de amoníaco se producen grandes cantidades de dióxido de carbono como subproducto de la quema de hidrocarburos para generar calor (predominantemente gas natural y, con menos frecuencia, derivados del petróleo o carbón), las plantas de producción de urea casi siempre están ubicadas adyacentes al sitio donde se produce el amoníaco. se fabrica.
El proceso básico, patentado en 1922, se llama proceso de urea Bosch-Meiser en honor a sus descubridores Carl Bosch y Wilhelm Meiser. [64] El proceso consta de dos reacciones principales de equilibrio , con conversión incompleta de los reactivos. La primera es la 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] − ): [12]
El segundo es la conversión de urea : la descomposición endotérmica más lenta del carbamato de amonio en urea y agua:
La conversión general de NH 3 y CO 2 en 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 carbamatos. Las condiciones del proceso son un compromiso: el efecto negativo en la primera reacción de la alta temperatura (alrededor de 190 °C) necesaria para la segunda se compensa llevando a cabo el proceso bajo alta presión (140-175 bar), lo que favorece la primera. reacción. Aunque es necesario comprimir el dióxido de carbono gaseoso a esta presión, el amoníaco está disponible en la planta de producción de amoníaco en forma líquida, que puede bombearse al sistema de forma mucho más económica. Para permitir que el lento tiempo de 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 tiende a ser un enorme recipiente a presión.
Debido a que la conversión de urea es incompleta, la urea debe separarse de los reactivos no convertidos, incluido el carbamato de amonio. Varios procesos comerciales de urea se caracterizan por las condiciones bajo las cuales se forma la urea y la forma en que se procesan adicionalmente los reactivos no convertidos.
En las primeras plantas de urea "directas", la recuperación de reactivos (el primer paso en el "reciclado") se realizaba bajando la presión del sistema a la atmosférica para permitir que el carbamato se descompusiera nuevamente en amoníaco y dióxido de carbono. Originalmente, debido a que no era económico recomprimir el amoníaco y el dióxido de carbono para reciclarlos, al menos el amoníaco se usaba para la fabricación de otros productos como nitrato de amonio o sulfato de amonio , y el dióxido de carbono generalmente se desperdiciaba. Los esquemas de proceso posteriores hicieron práctico el reciclaje del amoníaco y el dióxido de carbono no utilizados. Esto se logró mediante el "proceso de reciclaje total", desarrollado entre los años 1940 y 1960 y ahora llamado "proceso de reciclaje convencional". Procede despresurizando la solución de reacción en etapas (primero a 18-25 bar y luego a 2-5 bar) y pasándola en cada etapa a través de un descomponedor de carbamato calentado con vapor , luego recombinando el dióxido de carbono y el amoníaco resultantes en un proceso descendente. condensador de película de carbamato y bombear la solución de carbamato de nuevo al recipiente de reacción de urea. [12]
El "proceso de reciclaje convencional" para recuperar y reutilizar los reactivos ha sido reemplazado en gran medida por un proceso de extracción , desarrollado a principios de la década de 1960 por Stamicarbon en los Países Bajos, que opera a la presión total del recipiente de reacción o cerca de ella. Reduce la complejidad del esquema de reciclaje de múltiples etapas y reduce la cantidad de agua reciclada en la solución de carbamato, lo que tiene un efecto adverso sobre el equilibrio en la reacción de conversión de urea y, por tanto, sobre la eficiencia general de la planta. Efectivamente, todas las plantas de urea nuevas utilizan el decapado y muchas plantas de urea de reciclaje total se han convertido a un proceso de decapado. [12] [66]
En los procesos de reciclaje convencionales, la descomposición del carbamato se promueve reduciendo la presión general, lo que reduce la presión parcial tanto del amoníaco como del dióxido de carbono, permitiendo que estos gases se separen de la solución del producto de urea. El proceso de extracción logra un efecto similar sin reducir la presión general, al suprimir la presión parcial de solo uno de los reactivos para promover la descomposición del carbamato. En lugar de alimentar dióxido de carbono gaseoso directamente al reactor de síntesis de urea con amoníaco, como en el proceso convencional, el proceso de extracción primero dirige el dióxido de carbono a través del separador. El stripper es un descomponedor de carbamatos que proporciona una gran cantidad de contacto gas-líquido. Esto elimina el amoníaco libre, reduciendo su presión parcial sobre la superficie del líquido y llevándolo directamente a un condensador de carbamato (también bajo 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 media presión del proceso de reciclaje convencional. [12] [66]
Las tres reacciones secundarias principales que producen impurezas tienen en común que descomponen la urea.
La urea se hidroliza nuevamente 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. [12]
El biuret se forma cuando dos moléculas de urea se combinan con la pérdida de una molécula de amoníaco.
Normalmente esta reacción se suprime en el reactor de síntesis manteniendo un exceso de amoniaco, pero después del stripper se produce hasta que se reduce la temperatura. [12] El biuret no es deseable en el fertilizante de urea porque es tóxico para las plantas de cultivo en diversos grados, [67] pero a veces es deseable como fuente de nitrógeno cuando se usa en la alimentación animal. [68]
El ácido isociánico HNCO y el amoniaco NH 3 resultan de la descomposición térmica del cianato de amonio [NH 4 ] + [OCN] − , que está en equilibrio químico con la urea:
Esta descomposición es peor cuando la solución de urea se calienta a baja presión, lo que ocurre cuando la solución se concentra para granulación o granulación (ver más abajo). La mayoría de los productos de la reacción se volatilizan en los vapores de cabeza y se recombinan cuando estos se condensan para formar nuevamente urea, lo que contamina el condensado del proceso. [12]
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 decapante. Históricamente, la corrosión se ha minimizado (aunque no eliminado) mediante la inyección continua de una pequeña cantidad de oxígeno (como aire) en la planta para establecer y mantener una capa pasiva de óxido sobre 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 revestidos de circonio en la década de 2000. [12]
La urea se puede producir en formas sólidas ( perlas , gránulos, bolitas o cristales) o como soluciones.
Para su uso principal como fertilizante, la urea se comercializa principalmente en forma sólida, ya sea en forma de pastillas o gránulos. Los gránulos son gotitas solidificadas, cuya producción es anterior a los procesos satisfactorios de granulación de urea. Los gránulos se pueden producir a un precio más bajo que los gránulos, pero su tamaño limitado (hasta aproximadamente 2,1 mm de diámetro), su baja resistencia al aplastamiento y el apelmazamiento o trituración de los gránulos durante el almacenamiento y manipulación a granel los hacen inferiores a los gránulos. Los gránulos se producen por acreción sobre partículas de semillas de urea mediante la pulverización de urea líquida en una sucesión de capas. Se agrega formaldehído durante la producción tanto de pastillas como de gránulos para aumentar la resistencia al aplastamiento y suprimir el apelmazamiento. También se utilizan otras técnicas de conformación como la pastillización (depositar gotas de líquido de tamaño uniforme en una cinta transportadora de enfriamiento). [12]
Las soluciones de urea y nitrato de amonio en agua (UAN) se utilizan comúnmente como fertilizante líquido. Mezclados, la solubilidad combinada del nitrato de amonio y la urea es mucho mayor que la de cualquiera de los componentes solos, lo que da una solución estable con un contenido total de nitrógeno (32%) que se aproxima al del nitrato de amonio sólido (33,5%), aunque no por supuesto, el de la propia urea (46%). La UAN permite el uso de nitrato de amonio sin riesgo de explosión. [12] En la UAN representa el 80% de los fertilizantes líquidos en Estados Unidos. [69]
El compuesto H 2 N-CO-NH 2 mantiene el nombre de 'urea', que es el nombre preferido de la IUPAC, con los localizadores N y N', como se muestra arriba de la estructura siguiente. El nombre sistemático es 'diamida carbónica', (…).
