La urea (carbamida), producida fácilmente a partir de amoníaco y dióxido de carbono, es un producto químico muy importante en las industrias agrícola y de polímeros.
Usos de la urea
La urea es el fertilizante nitrogenado más utilizado en el mundo y, de hecho, se fabrica más urea en masa que cualquier otro producto químico orgánico. Con un 46% de N, es el fertilizante nitrogenado más concentrado y está disponible en forma de gránulos. Es la forma de fertilizante nitrogenado más barata de transportar y también la menos propensa a «apelmazarse». Por ello, es el preferido en los países en desarrollo.
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Figura 1 Este campo de arroz en Tailandia ha sido tratado con urea, el fertilizante que contiene nitrógeno más utilizado en los países en desarrollo. Con la amable autorización de Kim Dixon. |
Si bien más del 90% de la urea producida se utiliza como fertilizante, tiene otros usos, que incluyen la fabricación de la melamina, utilizada en las resinas de melamina-metanal. La propia urea también forma importantes resinas.
Un uso cada vez más importante de la urea es la reducción de la contaminación atmosférica de los motores diesel de coches, autobuses y camiones. Los motores diesel funcionan a altas temperaturas y el nitrógeno y el oxígeno del aire pueden reaccionar juntos en estas condiciones para producir altas concentraciones de óxido nítrico. Una forma de eliminar este contaminante es dejar que reaccione con el amoníaco para formar nitrógeno.
Sin embargo, no es posible utilizar el amoníaco directamente, ya que es demasiado volátil y es venenoso. En su lugar, se inyecta una solución de urea en agua en los gases calientes que salen del motor en el escape. La urea se descompone térmicamente en amoníaco y dióxido de carbono. Este es el proceso inverso al utilizado para fabricar amoníaco:
A diferencia del amoníaco, la urea es segura y fácil de manejar.
Los productos, amoníaco y dióxido de carbono, junto con los gases de escape, pasan inmediatamente por un catalizador en el sistema de escape. El amoníaco reduce los óxidos de nitrógeno (principalmente el óxido nítrico), formados en los procesos de combustión, a nitrógeno. El proceso es complejo, pero la reacción global puede representarse así:
El sistema se conoce como Urea SCR (reducción catalítica selectiva basada en urea) y puede reducir la contaminación por óxidos de nitrógeno a casi cero.
| Figura 2 Los depósitos de urea son ahora un equipamiento estándar para la mayoría de los camiones, autobuses y coches diésel nuevos en muchos países. La urea se añade a los gases de escape en forma de solución acuosa al 32%, a menudo conocida como BlueTEC. En esta foto, un autobús Mercedes se está llenando con solución BlueTEC (con la boquilla azul hacia el depósito inferior) y con gasóleo (el depósito superior). Con la amable autorización de Daimler AG. |
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Se han utilizado varios catalizadores. Una serie se basa en óxidos de metales de transición (por ejemplo, los de vanadio y tungsteno) sobre un soporte, el dióxido de titanio. Otra serie se basa en zeolitas, en las que algunos de los cationes se han intercambiado con un metal como el cobre.
| Figura 3 Un coche Mercedes-Benz Clase E E300 BlueTEC Hybrid. El motor diésel se combina con un motor eléctrico que permite una conducción puramente eléctrica incluso a altas velocidades, lo que reduce significativamente la cantidad de contaminantes en comparación con un motor diésel puro. La cantidad de noxidos de nitrógeno emitidos se reduce aún más por el uso de la solución BlueTEC, que convierte los óxidos en el escape en nitrógeno y vapor de agua. Con la amable autorización de Daimler AG. |
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Figura 4 Un diagrama de líneas del coche anterior que ilustra cinco elementos clave en el diseño del sistema de escape. 1 El catalizador de oxidación se utiliza para eliminar los hidrocarburos no deseados, asegurando que se oxidan a dióxido de carbono y agua. El catalizador suele estar basado en platino o paladio. 2 Conocido como convertidor catalítico de NOx, contiene óxido de aluminio en cuya superficie hay platino y óxido de bario. Atrapa los óxidos de nitrógeno. Cuando el sólido se satura con los óxidos, se permite que los hidrocarburos no quemados fluyan a través de él, convirtiendo gran parte de la mezcla en nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua. 3 Un filtro que atrapa las partículas (pequeños trozos de carbón y otros sólidos). 4 Un depósito que contiene la solución de urea. 5 El convertidor catalítico SCR que contiene otro catalizador, por ejemplo un óxido de vanadio (o tungsteno) sobre dióxido de titanio, que permite que los gases de escape, que todavía contienen algunos óxidos de nitrógeno, reaccionen con el amoníaco formado a partir de la solución de urea, para producir gases de escape con sólo trazas de los óxidos. Con la amable autorización de Daimler AG. |
Producción anual de urea1
| Mundial | 164 millones de toneladas |
| China | 62 millones de toneladas |
| India | 23 millones de toneladas |
| Oriente Medio | 20 millones de toneladas |
| Resto de Asia | 18 millones de toneladas |
| FSU | 12 millones de toneladas |
| América del Norte | 9.5 millones de toneladas |
| Europa | 9.5 millones de toneladas |
Se espera que la producción anual mundial aumente a más de 200 millones de toneladas en 20182.
1. Potash Corporation, 2013
2. Asociación Internacional de la Industria de los Fertilizantes, 2014
Fabricación de urea
El amoníaco reacciona con el dióxido de carbono para producir urea. La urea se fabrica siempre cerca de una planta de amoníaco (Figura 5).
El amoníaco y el dióxido de carbono se calientan juntos a 450 K y 200 atm de presión. Primero se forma carbamato de amonio, que se descompone rápidamente para formar urea:
Figura 5 Vista aérea de una gran planta en Alberta, Canadá, en la que se sintetiza amoníaco
y luego se convierte en urea.
Con la amable autorización de Agrium Inc.
Mucha de la urea se prila (Figura 6) y se vende en esa forma.
| Figura 6 Estas pequeñas esferas de urea se conocen como prills. Los prills se forman pulverizando urea fundida por una torre por la que se bombea aire. Son algo más pequeños que la urea que se vende en forma de gránulos y son especialmente útiles cuando el fertilizante se aplica a mano. Con la amable autorización de Agrium Inc. |
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