冷却结晶制备高纯车用尿素过程研究

摘要

车用尿素为质量分数为32.5%的高纯尿素水溶液，应用于重型柴油汽车尾气处理技术—SCR（选择性催化还原）技术中，可以通过催化剂催化，使NOx还原为无污染的N2再排放，达到减少汽车尾气中NOx排放的目的。但由于尿素中的杂质对催化剂的活性有非常大的影响，甚至会导致失活，所以车用尿素对金属离子杂质有着严格的要求，其市场价值也远高于工业尿素。目前国内主流的、应用最广泛的车用尿素生产技术是冷却结晶法，但此方法对尿素原料纯度要求很高，如果原料纯度不高，提纯步骤会相当复杂。因此，开发高效分离技术、制备高纯车用尿素产品具有重要的实际意义。本论文对尿素结晶热力学、冷却结晶二维动力学及结晶工艺进行了较系统的理论分析与实验研究，得到了尿素晶体长和径向的生长机理，并对晶体生长进行了调控。
　　首先，采用平衡法测定了不同温度下尿素在水中的溶解度，并通过经验方程拟合出尿素在不同温度下的溶解度方程；利用乌氏粘度计测定了不同温度下尿素饱和水溶液的粘度；采用激光法测定了尿素饱和水溶液在不同冷却速率和不同搅拌速率下的介稳区宽度，并利用经验方程推出的计算模型对介稳区宽度的实验数据进行拟合，得到了介稳区宽度计算模型，为结晶工艺条件的优化提供了依据。
　　在此基础上，开展尿素结晶生长动力学的研究，采用间歇取样法考察了不同降温速率下尿素晶体的形貌尺寸、溶液过饱和度、晶体成核数量等随结晶进程的变化，并利用不同的粒径分析技术对晶体生长机理进行探讨；此外考虑到很少有工作将成核和多维生长结合一起进行讨论，因此提出参数贡献因子来表征不同降温速率对晶体二维尺度生长和成核的综合影响。
　　以尿素晶体二维特征参数作为主要评价指标，针对长棒状尿素晶体尺寸分布和形貌控制进行研究，提出了基于介稳区宽度测定和二维动力学评价结果的改良操作路线，系统测定了不同生长条件下棒状晶体长和径方向上的尺寸分布和对应的长径比，以此获得最优的晶体尺寸分布（变异系数C.V.=31.4）和长径比（4.97）；并对最优操作路线进行了动力学验证，同时和传统操作路线进行比较，结果符合提出路线时的机理推测；考察了相同洗涤条件下不同操作路线的晶体产品纯度，由最优操作路线得到的结晶产品制备的车用尿素溶液质量符合国家应用标准，金属离子杂质总含量1.2ppm，小于国家标准1.5ppm。同时，通过本文研究建立的二维尺度评价指标，对于长棒状晶体的尺寸分布、形貌调控，提供了一个新的方法。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 车用尿素简介

1.2 车用尿素生产工艺国内外现状

1.3 结晶热力学研究概述

1.4 结晶动力学研究概述

1.5 晶体形貌及粒度分析技术

1.6 选题依据和研究内容

2 尿素结晶热力学的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

3 尿素结晶动力学的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4 车用尿素的冷却结晶工艺及优化

4.1 引言

4.2 工艺优化实验部分

4.3 工艺优化结果与讨论

4.4 工艺优化的动力学验证

4.5 不同操作过程的晶体产品纯度

4.6 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

6 论文创新点与展望

6.1 创新点

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢