Мочевина , также называемая карбамидом (потому что это диамид угольной кислоты ), представляет собой органическое соединение с химической формулой CO(NH 2 ) 2 . Этот амид имеет две аминогруппы (– NH 2 ), соединенные карбонильной функциональной группой (–C(=O)–). Таким образом, это простейший амид карбаминовой кислоты .
Мочевина играет важную роль в обмене азотсодержащих соединений у животных и является основным азотсодержащим веществом в моче млекопитающих . Мочевина — это неолатинское слово , от французского urée , от древнегреческого οὖρον ( oûron ) «моча», которое само по себе происходит от протоиндоевропейского *h₂worsom .
Это бесцветное твердое вещество без запаха, хорошо растворимое в воде и практически нетоксичное ( ЛД 50 составляет 15 г/кг для крыс). [6] Растворенный в воде, он не является ни кислым , ни щелочным . Организм использует его во многих процессах, в первую очередь в выведении азота . Печень образует его путем объединения двух молекул аммиака ( NH 3 ) с молекулой углекислого газа ( CO 2 ) в цикле мочевины . Мочевина широко используется в удобрениях в качестве источника азота (N) и является важным сырьем для химической промышленности .
В 1828 году Фридрих Велер обнаружил , что мочевину можно производить из неорганических исходных материалов, что стало важной концептуальной вехой в химии. Это впервые показало, что вещество, ранее известное только как побочный продукт жизни, может быть синтезировано в лаборатории без биологических исходных материалов, тем самым противореча широко распространенной доктрине витализма , которая утверждала, что только живые организмы могут производить химические вещества жизни.
Молекула мочевины в твердом кристалле плоская из-за sp 2 -гибридизации N-орбиталей. [7] [8] Он неплоский с симметрией C 2 в газовой фазе [9] или в водном растворе, [8] с валентными углами C–N–H и H–N–H, которые являются промежуточными между плоский тригональный угол 120° и тетраэдрический угол 109,5°. В твердой мочевине кислородный центр связан двумя водородными связями N–H–O . Полученная в результате плотная и энергетически выгодная сеть водородных связей, вероятно, создается за счет эффективной молекулярной упаковки: структура достаточно открытая, ленты образуют туннели с квадратным поперечным сечением. Углерод в мочевине описывается как гибридизованный sp 2 , связи CN имеют значительный характер двойной связи, а карбонильный кислород является относительно основным. Высокая растворимость мочевины в воде отражает ее способность образовывать обширные водородные связи с водой.
Благодаря склонности к образованию пористого каркаса мочевина способна улавливать многие органические соединения. В этих так называемых клатратах органические «гостевые» молекулы удерживаются в каналах, образованных взаимопроникающими спиралями, состоящими из молекул мочевины, связанных водородными связями . [10]
Поскольку спирали связаны между собой, все спирали в кристалле должны иметь одинаковую молекулярную направленность . Это определяется при зарождении кристалла и, таким образом, может быть получено путем затравки. Полученные кристаллы использовались для разделения рацемических смесей . [10]
Мочевина является основной и легко протонируется. Это также основание Льюиса , образующее металлокомплексы типа [M(мочевина) 6 ] n + .
Мочевина реагирует с малоновыми эфирами с образованием барбитуровых кислот .
Расплавленная мочевина разлагается на цианат аммония при температуре около 152 °C, а при температуре выше 160 °C — на аммиак и изоциановую кислоту : [11]
При нагревании выше 160 °C в результате реакции с изоциановой кислотой образуются биурет NH 2 CONHCONH 2 и триурет NH 2 CONHCONHCONH 2 : [12] [11]
При более высоких температурах он превращается в ряд продуктов конденсации , включая циануровую кислоту (CNOH) 3 , гуанидин HNC(NH 2 ) 2 и меламин . [12] [11]
В водном растворе мочевина медленно уравновешивается цианатом аммония. В результате этого гидролиза образуется изоциановая кислота , которая может карбамилировать белки, в частности N-концевую аминогруппу, аминогруппу боковой цепи лизина и, в меньшей степени, боковые цепи аргинина и цистеина . [13] [14] Каждое событие карбамилирования добавляет 43 дальтон к массе белка, что можно наблюдать с помощью масс-спектрометрии белка . [14] По этой причине чистые растворы мочевины следует готовить и использовать свежеприготовленными, поскольку в старых растворах может образоваться значительная концентрация цианата (20 мМ в 8 М мочевины). [14] Рекомендуемой процедурой приготовления является растворение мочевины в сверхчистой воде с последующим удалением ионов (например, цианата) с помощью ионообменной смолы смешанного действия и хранение этого раствора при температуре 4 °C. [15] Однако в течение нескольких дней уровень цианата снова достигнет значительного уровня. [14] Альтернативно, добавление 25–50 мМ хлорида аммония к концентрированному раствору мочевины уменьшает образование цианата из-за эффекта общих ионов . [14] [16]
Мочевину легко определить количественно с помощью ряда различных методов, таких как колориметрический метод диацетилмоноксима и реакция Бертло (после первоначального превращения мочевины в аммиак с помощью уреазы). Эти методы доступны для высокопроизводительного оборудования, такого как автоматические проточные анализаторы [17] и 96-луночные микропланшетные спектрофотометры. [18]
Мочевины описывают класс химических соединений , которые имеют одну и ту же функциональную группу, карбонильную группу, присоединенную к двум остаткам органического амина: R 1 R 2 N-C(=O)-NR 3 R 4 , где R 1 , R 2 , R 3 и группы R 4 представляют собой водород (–H), органил или другие группы. Примеры включают перекись карбамида , аллантоин и гидантоин . Мочевины близки к биуретам , а по строению родственны амидам , карбаматам , карбодиимидам и тиокарбамидам .
Более 90% мирового промышленного производства карбамида предназначено для использования в качестве азотовыделяющего удобрения . [12] Карбамид имеет самое высокое содержание азота среди всех широко используемых твердых азотных удобрений. Следовательно, стоимость транспортировки единицы азотного питательного вещества низкая . Наиболее распространенной примесью синтетической мочевины является биурет , ухудшающий рост растений. Мочевина распадается в почве с образованием ионов аммония ( NH+4). Аммоний поглощается растением через корни. В некоторых почвах аммоний окисляется бактериями с образованием нитрата ( NO−3), который также является богатым азотом питательным веществом для растений. Потеря азотистых соединений в атмосферу и стоки является расточительной и вредной для окружающей среды, поэтому иногда мочевину модифицируют для повышения эффективности ее использования в сельском хозяйстве. Методы производства удобрений с контролируемым высвобождением , которые замедляют выделение азота, включают инкапсуляцию мочевины в инертный герметик и преобразование мочевины в производные, такие как соединения мочевины и формальдегида , которые разлагаются до аммиака со скоростью, соответствующей потребностям растений в питании.
Карбамид является сырьем для производства карбамидоформальдегидных смол , используемых в основном в древесных плитах, таких как ДСП , ДВП и фанера .
Мочевину можно использовать для производства нитрата мочевины — бризантного взрывчатого вещества , которое используется в промышленности и в составе некоторых самодельных взрывных устройств .
Мочевина используется в реакциях селективного некаталитического восстановления (SNCR) и селективного каталитического восстановления (SCR) для снижения содержания загрязняющих веществ NO x в выхлопных газах от сгорания дизельных , двухтопливных двигателей и двигателей , работающих на бедной смеси природного газа . Например, система BlueTec впрыскивает раствор мочевины на водной основе в выхлопную систему . Аммиак ( NH 3 ), полученный в результате гидролиза мочевины, реагирует с оксидами азота ( NO x ) и преобразуется в газообразный азот ( N 2 ) и воду в каталитическом нейтрализаторе. Преобразование вредного NO x в безвредный N 2 описывается следующим упрощенным глобальным уравнением: [19]
При использовании мочевины происходит предварительная реакция (гидролиз), в ходе которой она сначала превращается в аммиак:
Будучи твердым веществом, хорошо растворимым в воде (545 г/л при 25 °C), [2] с мочевиной гораздо проще и безопаснее обращаться и хранить, чем с более раздражающим , едким и опасным аммиаком ( NH 3 ), поэтому она является реагентом. выбора. Грузовые и легковые автомобили, использующие эти каталитические нейтрализаторы, должны иметь запас жидкости для выхлопных газов дизельных двигателей , также продаваемой как AdBlue , раствор мочевины в воде.
Мочевина в концентрациях до 10 М является мощным денатуратором белков , поскольку разрушает нековалентные связи в белках. Это свойство можно использовать для увеличения растворимости некоторых белков. Смесь мочевины и хлорида холина используется в качестве глубокого эвтектического растворителя (ДЭС) — вещества, похожего на ионную жидкость . При использовании в глубоком эвтектическом растворителе мочевина постепенно денатурирует солюбилизированные белки. [20]
Мочевина в принципе может служить источником водорода для последующего производства электроэнергии в топливных элементах . Мочевину, присутствующую в моче/сточных водах, можно использовать напрямую (хотя бактерии обычно быстро разлагают мочевину). Получение водорода электролизом раствора мочевины происходит при более низком напряжении (0,37 В ) и, таким образом, потребляет меньше энергии, чем электролиз воды (1,2 В ). [21]
Мочевину в концентрации до 8 М можно использовать для того, чтобы сделать фиксированную ткань мозга прозрачной для видимого света, сохраняя при этом флуоресцентные сигналы от меченых клеток. Это позволяет получать гораздо более глубокие изображения нейрональных процессов, чем ранее можно было получить с помощью обычных однофотонных или двухфотонных конфокальных микроскопов. [22]
Кремы, содержащие мочевину, используются в качестве дерматологических средств местного применения для регидратации кожи . Мочевина 40% показана при псориазе , ксерозе , онихомикозе , ихтиозе , экземе , кератозе , кератодермии , натоптышах и мозолях . Если поверхность покрыта окклюзионной повязкой , 40%-ные препараты мочевины также можно использовать для нехирургической обработки ногтей . Мочевина 40% «растворяет межклеточный матрикс» [23] [24] ногтевой пластины. Удаляются только больные или дистрофические ногти, так как на здоровые участки ногтя воздействия нет. [25] Этот препарат (как перекись карбамида ) также используется в качестве средства для удаления ушной серы. [26]
Мочевина также изучалась как мочегонное средство . Впервые он был использован доктором В. Фридрихом в 1892 году. [27] В исследовании 2010 года среди пациентов отделения интенсивной терапии мочевина использовалась для лечения эуволемической гипонатриемии и была признана безопасной, недорогой и простой. [28]
Как и физиологический раствор , мочевину вводили в матку , чтобы вызвать аборт , хотя этот метод больше не получил широкого распространения. [29]
Тест на азот мочевины крови (АМК) – это измерение количества азота в крови, который поступает из мочевины. Он используется в качестве маркера функции почек , хотя он уступает другим маркерам, таким как креатинин , поскольку на уровень мочевины в крови влияют другие факторы, такие как диета, обезвоживание [30] и функция печени.
Мочевина также изучалась в качестве вспомогательного вещества в составе покрытия баллона с лекарственным средством (DCB) для улучшения местной доставки лекарства в стенозированные кровеносные сосуды. [31] [32] Было обнаружено , что мочевина при использовании в качестве наполнителя в малых дозах (~3 мкг/мм 2 ) для покрытия поверхности ДХБ образует кристаллы, которые увеличивают перенос лекарственного средства без неблагоприятного токсического воздействия на эндотелиальные клетки сосудов . [33]
Мочевина, меченная углеродом-14 или углеродом-13 , используется в дыхательном тесте мочевины , который используется для обнаружения присутствия бактерии Helicobacter pylori ( H. pylori ) в желудке и двенадцатиперстной кишке человека, связанной с пептической язвой . Тест обнаруживает характерный фермент уреазу , вырабатываемый H. pylori , в результате реакции, в результате которой из мочевины образуется аммиак. Это повышает pH (снижает кислотность) среды желудка вокруг бактерий. Виды бактерий, сходные с H. pylori, могут быть идентифицированы с помощью одного и того же теста у таких животных, как обезьяны , собаки и кошки (включая больших кошек ).
Аминокислоты, поступающие с пищей (или образующиеся в результате катаболизма мышечного белка), которые используются для синтеза белков и других биологических веществ, могут окисляться организмом в качестве альтернативного источника энергии, образуя мочевину и углекислый газ . [41] Путь окисления начинается с удаления аминогруппы трансаминазой ; аминогруппа затем подается в цикл мочевины . Первым шагом в превращении аминокислот в метаболические отходы в печени является удаление альфа-аминного азота, который производит аммиак . Поскольку аммиак токсичен, он немедленно выводится рыбами, птицами превращается в мочевую кислоту , а млекопитающими превращается в мочевину. [42]
Аммиак ( NH 3 ) — распространенный побочный продукт метаболизма азотистых соединений. Аммиак меньше по размеру, более летуч и подвижен, чем мочевина. Если позволить аммиаку накапливаться, он повысит pH в клетках до токсичного уровня. Таким образом, многие организмы преобразуют аммиак в мочевину, хотя этот синтез требует чистых энергетических затрат. Будучи практически нейтральной и хорошо растворимой в воде, мочевина является безопасным транспортным средством организма для транспортировки и выведения избытка азота.
Мочевина синтезируется в организме многих организмов в рамках цикла мочевины либо в результате окисления аминокислот , либо из аммиака . В этом цикле аминогруппы , пожертвованные аммиаком и L - аспартатом , превращаются в мочевину, а L - орнитин , цитруллин , L - аргининосукцинат и L - аргинин выступают в качестве промежуточных продуктов. Производство мочевины происходит в печени и регулируется N -ацетилглутаматом . Затем мочевина растворяется в крови (в нормативном диапазоне от 2,5 до 6,7 ммоль/л) и далее транспортируется и выводится почками в виде компонента мочи . Кроме того, небольшое количество мочевины выводится (вместе с хлоридом натрия и водой) с потом .
В воде аминогруппы медленно замещаются молекулами воды, образуя аммиак, ионы аммония и ионы бикарбоната . По этой причине старая, несвежая моча имеет более сильный запах, чем свежая моча.
Круговорот и выведение мочевины почками является жизненно важной частью метаболизма млекопитающих. Помимо своей роли переносчика ненужного азота , мочевина также играет роль в противоточной обменной системе нефронов , что обеспечивает реабсорбцию воды и критических ионов из выделяемой мочи . Мочевина реабсорбируется во внутренних собирательных трубочках мозгового вещества нефронов, [43] , таким образом повышая осмолярность в медуллярном интерстиции , окружающем тонкое нисходящее колено петли Генле , что приводит к реабсорбции воды.
Под действием транспортера мочевины 2 некоторая часть реабсорбированной мочевины в конечном итоге течет обратно в тонкую нисходящую часть канальца [44] через собирательные трубочки и попадает в выделяемую мочу. Организм использует этот механизм, который контролируется антидиуретическим гормоном , для создания гиперосмотической мочи — т. е. мочи с более высокой концентрацией растворенных веществ, чем в плазме крови . Этот механизм важен для предотвращения потери воды, поддержания кровяного давления и поддержания подходящей концентрации ионов натрия в плазме крови.
Эквивалентное содержание азота (в граммах ) мочевины (в ммоль ) можно оценить с помощью коэффициента пересчета 0,028 г/ммоль. [45] Кроме того, 1 грамм азота примерно эквивалентен 6,25 граммам белка , а 1 грамм белка примерно эквивалентен 5 граммам мышечной ткани. В таких ситуациях, как атрофия мышц , 1 ммоль избыточного количества мочевины в моче (измеряемая объемом мочи в литрах, умноженным на концентрацию мочевины в ммоль/л) примерно соответствует потере мышечной массы в 0,67 грамма.
У водных организмов наиболее распространенной формой азотных отходов является аммиак, тогда как наземные организмы преобразуют токсичный аммиак либо в мочевину, либо в мочевую кислоту . Мочевина содержится в моче млекопитающих и земноводных , а также некоторых рыб. У птиц и ящерообразных рептилий другая форма азотистого обмена, требующая меньшего количества воды и приводящая к выделению азота в виде мочевой кислоты. Головастики выделяют аммиак, но во время метаморфоза переходят на производство мочевины . Несмотря на приведенное выше обобщение, путь мочевины был зарегистрирован не только у млекопитающих и амфибий, но и у многих других организмов, включая птиц, беспозвоночных , насекомых, растения, дрожжи , грибы и даже микроорганизмы . [46]
Мочевина может вызывать раздражение кожи, глаз и дыхательных путей. Повторный или длительный контакт мочевины в форме удобрения с кожей может вызвать дерматит . [47]
Высокие концентрации в крови могут нанести вред. Проглатывание низких концентраций мочевины, которые содержатся в обычной человеческой моче , не представляет опасности при дополнительном приеме воды в течение разумного периода времени. У многих животных (например , верблюдов , грызунов или собак) моча гораздо более концентрированная и может содержать большее количество мочевины, чем нормальная человеческая моча.
Мочевина может вызывать цветение водорослей и производить токсины, а ее присутствие в стоках с удобренных земель может играть роль в увеличении токсичного цветения. [48]
Вещество разлагается при нагревании выше температуры плавления с образованием токсичных газов и бурно реагирует с сильными окислителями, нитритами, неорганическими хлоридами, хлоритами и перхлоратами, вызывая пожар и взрыв. [49]
Мочевина была впервые обнаружена в моче в 1727 году голландским ученым Германом Бургааве [50], хотя это открытие часто приписывают французскому химику Илеру Руэлю , а также Уильяму Крукшенку . [51]
Бурхааве применил следующие шаги для выделения мочевины: [52] [53]
В 1828 году немецкий химик Фридрих Велер получил мочевину искусственно, обрабатывая цианат серебра хлоридом аммония . [54] [55] [56]
Это был первый случай, когда органическое соединение было искусственно синтезировано из неорганического исходного сырья, без участия живых организмов. Результаты этого эксперимента безоговорочно дискредитировали витализм — теорию о том, что химические вещества живых организмов фундаментально отличаются от химических веществ неживой материи. Это понимание имело важное значение для развития органической химии . Его открытие побудило Вёлера триумфально написать Йенсу Якобу Берцелиусу :
На самом деле его второе предложение было неверным. Цианат аммония [NH 4 ] + [OCN] - и мочевина CO(NH 2 ) 2 представляют собой два разных химических вещества с одной и той же эмпирической формулой CON 2 H 4 , которые находятся в химическом равновесии с сильным преимуществом мочевины при стандартных условиях . [57] Несмотря на это, своим открытием Велер обеспечил себе место среди пионеров органической химии.
Мочевину впервые заметил Герман Бурхааве в начале 18 века по испарениям мочи. В 1773 году Илер Руэль получил кристаллы, содержащие мочевину, из человеческой мочи путем ее выпаривания и обработки спиртом при последовательных фильтрациях. [58] Этому методу способствовало открытие Карла Вильгельма Шееле того, что в моче, обработанной концентрированной азотной кислотой , выпадают кристаллы. Антуан Франсуа, граф де Фуркруа и Луи Николя Воклен обнаружили в 1799 году, что нитрованные кристаллы идентичны веществу Руэля, и изобрели термин «мочевина». [59] [60] Берцелиус внес дальнейшие улучшения в его очистку [61] и, наконец , Уильяму Прауту в 1817 году удалось получить и определить химический состав чистого вещества. [62] В разработанной процедуре мочевина осаждается в виде нитрата мочевины путем добавления в мочу сильной азотной кислоты. Для очистки полученных кристаллов их растворяли в кипящей воде с углем и фильтровали. После охлаждения образуются чистые кристаллы нитрата мочевины. Чтобы восстановить мочевину из нитрата, кристаллы растворяют в теплой воде и добавляют карбонат бария . Затем воду выпаривают и добавляют безводный спирт для экстракции мочевины. Этот раствор сливают и выпаривают, получая чистую мочевину.
Мочевину в более общем смысле можно получить в лаборатории путем реакции фосгена с первичными или вторичными аминами :
Эти реакции протекают через промежуточный изоцианат . Несимметричные мочевины можно получить путем реакции первичных или вторичных аминов с изоцианатом.
Мочевину также можно получить путем нагревания цианата аммония до 60 °C.
В 2020 году мировая производственная мощность составила около 180 миллионов тонн. [63]
Для использования в промышленности карбамид производят из синтетического аммиака и углекислого газа . Поскольку в процессе производства аммиака в качестве побочного продукта сжигания углеводородов для получения тепла (преимущественно природного газа, реже нефтепродуктов или угля) образуется большое количество углекислого газа, заводы по производству карбамида почти всегда расположены рядом с местом, где производится аммиак. изготавливается.
Основной процесс, запатентованный в 1922 году, называется процессом получения мочевины Боша-Мейзера в честь его первооткрывателей Карла Боша и Вильгельма Мейзера. [64] Процесс состоит из двух основных равновесных реакций с неполной конверсией реагентов. Первым является образование карбамата : быстрая экзотермическая реакция жидкого аммиака с газообразным диоксидом углерода ( CO 2 ) при высокой температуре и давлении с образованием карбамата аммония ( [NH 4 ] + [NH 2 COO] − ): [12]
Второй — конверсия мочевины : более медленное эндотермическое разложение карбамата аммония на мочевину и воду:
Общее превращение NH 3 и CO 2 в мочевину является экзотермическим, при этом теплота реакции первой реакции стимулирует вторую. Условия, благоприятствующие образованию мочевины (высокая температура), неблагоприятно влияют на равновесие образования карбамата. Условия процесса являются компромиссными: вредное влияние на первую реакцию высокой температуры (около 190 °С), необходимой для второй, компенсируется проведением процесса под высоким давлением (140–175 бар), что благоприятствует первой реакции. реакция. Хотя необходимо сжимать газообразный диоксид углерода до этого давления, аммиак доступен на заводе по производству аммиака в жидкой форме, которую можно закачивать в систему гораздо более экономично. Чтобы позволить медленной реакции образования мочевины достичь равновесия, необходимо большое реакционное пространство, поэтому реактор синтеза на большом заводе по производству мочевины обычно представляет собой массивный сосуд под давлением.
Поскольку конверсия мочевины является неполной, мочевину необходимо отделить от непреобразовавшихся реагентов, включая карбамат аммония. Различные коммерческие процессы получения мочевины характеризуются условиями образования мочевины и способами дальнейшей обработки непревращенных реагентов.
На первых «прямоточных» заводах по производству мочевины регенерация реагентов (первый этап «рециркуляции») осуществлялась путем снижения давления в системе до атмосферного, чтобы позволить карбамату разложиться обратно на аммиак и углекислый газ. Первоначально, поскольку повторное сжатие аммиака и диоксида углерода для переработки было нерентабельно, аммиак, по крайней мере, использовался для производства других продуктов, таких как нитрат аммония или сульфат аммония , а диоксид углерода обычно выбрасывался впустую. Более поздние технологические схемы сделали практичной переработку неиспользованного аммиака и углекислого газа. Это было достигнуто с помощью «процесса полной переработки», разработанного в 1940-1960-х годах и теперь называемого «традиционным процессом переработки». Он протекает путем поэтапного сброса давления реакционного раствора (сначала до 18–25 бар, а затем до 2–5 бар) и пропускания его на каждом этапе через подогреваемый паром аппарат для разложения карбаматов с последующим рекомбинированием образующихся углекислого газа и аммиака в падающем газе. пленочный конденсатор карбамата и перекачивание раствора карбамата обратно в реакционный сосуд мочевины. [12]
«Обычный процесс рециркуляции» для извлечения и повторного использования реагентов в значительной степени был вытеснен процессом отгонки , разработанным в начале 1960-х годов компанией Stamicarbon в Нидерландах, который работает при полном давлении реакционного сосуда или близко к нему. Это снижает сложность многоступенчатой схемы рециркуляции и уменьшает количество воды, рециркулируемой в растворе карбамата, что отрицательно влияет на равновесие в реакции конверсии мочевины и, следовательно, на общую эффективность установки. Фактически все новые заводы по производству карбамида используют стриппер, а многие заводы по полной переработке карбамида перешли на процесс отгонки. [12] [66]
В обычных процессах рециркуляции разложение карбамата ускоряется за счет снижения общего давления, что снижает парциальное давление как аммиака, так и диоксида углерода, позволяя отделить эти газы от раствора продукта мочевины. Процесс отгонки достигает аналогичного эффекта без снижения общего давления за счет подавления парциального давления только одного из реагентов, чтобы способствовать разложению карбамата. Вместо подачи газообразного диоксида углерода непосредственно в реактор синтеза мочевины с аммиаком, как в обычном процессе, процесс отгонки сначала направляет диоксид углерода через отпарный аппарат. Стриппер представляет собой разлагатель карбаматов, обеспечивающий большой объем газожидкостного контакта. Это вымывает свободный аммиак, снижая его парциальное давление над поверхностью жидкости и направляя его непосредственно в конденсатор карбамата (также под полным давлением в системе). Отсюда восстановленный раствор карбамата аммония подается в реактор производства мочевины. Это исключает стадию среднего давления традиционного процесса переработки. [12] [66]
Общим для трех основных побочных реакций, приводящих к образованию примесей, является то, что они разлагают мочевину.
Мочевина гидролизуется обратно до карбамата аммония на самых горячих стадиях установки синтеза, особенно в отпарной колонне, поэтому время пребывания на этих стадиях должно быть коротким. [12]
Биурет образуется при соединении двух молекул мочевины с потерей молекулы аммиака.
Обычно эту реакцию подавляют в реакторе синтеза путем поддержания избытка аммиака, но после отпарной колонны она происходит до тех пор, пока температура не снизится. [12] Биурет нежелателен в составе мочевинных удобрений, поскольку он в различной степени токсичен для сельскохозяйственных растений, [67] но иногда желателен в качестве источника азота при использовании в кормах для животных. [68]
Изоциановая кислота HNCO и аммиак NH 3 образуются в результате термического разложения цианата аммония [NH 4 ] + [OCN] − , находящегося в химическом равновесии с мочевиной:
Хуже всего это разложение происходит, когда раствор мочевины нагревают при низком давлении, что происходит, когда раствор концентрируют для приллирования или грануляции (см. ниже). Продукты реакции в основном улетучиваются в пары верхнего погона и рекомбинируют, когда они конденсируются, снова образуя мочевину, которая загрязняет технологический конденсат. [12]
Растворы карбамата аммония обладают высокой коррозионной активностью по отношению к металлическим конструкционным материалам – даже к стойким формам нержавеющей стали – особенно в самых горячих частях установки синтеза, таких как стриппер. Исторически коррозия была сведена к минимуму (хотя и не устранена) путем непрерывной подачи небольшого количества кислорода (в виде воздуха) в установку для создания и поддержания пассивного оксидного слоя на открытых поверхностях из нержавеющей стали. Для снижения потребности в кислороде для пассивации были внедрены материалы с высокой коррозионной стойкостью, такие как специализированные дуплексные нержавеющие стали в 1990-х годах и цирконий или титановые трубы, плакированные цирконием, в 2000-х годах. [12]
Карбамид может производиться в твердой форме ( гранулы , гранулы, окатыши или кристаллы) или в виде растворов.
Для основного использования в качестве удобрения мочевина в основном продается в твердой форме, в виде прилл или гранул. Гранулы представляют собой затвердевшие капли, образование которых предшествует удовлетворительным процессам грануляции мочевины. Гранулы можно производить дешевле, чем гранулы, но ограниченный размер гранул (диаметром примерно до 2,1 мм), их низкая прочность на раздавливание, а также слеживание или дробление гранул при хранении и транспортировке навалом уступают им гранулам. Гранулы получают путем акреции на затравочные частицы мочевины путем распыления жидкой мочевины в несколько слоев. Формальдегид добавляют при производстве как прилл, так и гранул для повышения прочности на раздавливание и предотвращения слеживания. Также используются другие методы придания формы, такие как пастилизация (нанесение капель жидкости одинакового размера на охлаждающую конвейерную ленту). [12]
Водные растворы карбамида и аммиачной селитры (КАС) широко используются в качестве жидких удобрений. В смеси общая растворимость нитрата аммония и мочевины настолько выше, чем растворимость каждого компонента по отдельности, что дает стабильный раствор с общим содержанием азота (32%), приближающимся к таковому твердого нитрата аммония (33,5%), хотя и не конечно, самой мочевины (46%). КАС позволяет использовать аммиачную селитру без опасности взрыва. [12] На КАС приходится 80% жидких удобрений в США. [69]
Соединение H 2 N-CO-NH 2 имеет сохранившееся название «мочевина», которое является предпочтительным названием IUPAC (…). Систематическое название — «карбонилдиамид».
