泸天化1620t/d尿素装置蒸発システムの拡能改造に関する方案研究　李勇　四川大学2003年修士論文.

中国には既に数百台もの尿素生産装置があり、そのうち500kt/a以上の生産能力を持つ大型装置は約30台ある。尿素の総生産量は、窒素肥料全体の60％を占めている。中国が世界貿易機関に加盟し、国内の天然ガスなどの原材料価格が継続的に上昇する中、尿素業界の競争はますます激しくなっている。市場の厳しい挑戦と圧力に直面して、尿素生産装置のボトルネックを解消し、生産能力を拡大して製品1単位あたりのコストを削減することが、私たちが急ぎ解決すべき問題となっている。本論文では、500kt/aの尿素生産装置の能力向上のための改造作業を踏まえ、特にそのボトルネックとなる蒸発システムについて分析・設計を行った。尿素溶液が蒸発する過程での熱感受性について詳細に分析することで、縮二尿素の生成や尿素の加水分解反応、分解反応といった副反応のメカニズムや反応速度、反応条件を明らかにした。また、副反応生成物の量は、蒸発温度や尿素溶液の滞留時間と正の相関があることもわかった。この熱感受性を考慮し、さまざまな蒸発加熱器の特性を踏まえて、伝熱係数が高く、滞留時間が短い昇華式蒸発器を尿素溶液の加熱に使用することにした。Ur-HO系の平衡相図を分析した結果、飽和溶液の結晶領域を通過しながら、低濃度の尿素溶液を一度に融点付近の尿素に濃縮することは不可能であり、また副反応を減少させるための操作温度条件にも合致しないことがわかった。したがって、尿素溶液の蒸発には二段階の真空蒸発プロセスを採用することにした。そして、Ur-HO系の平衡相図をもとに、尿素溶液の蒸発に適した二段階真空蒸発プロセスのパラメータを決定した。第一段階の蒸発条件は、温度130℃、圧力32kPa（絶対圧）、尿素濃度95％（質量パーセント）。第二段階の蒸発条件は、温度140℃、圧力3.4kPa（絶対圧）、尿素濃度99.7％（質量パーセント）である。昇華式加熱器の伝熱過程を詳細に分析することで、加熱器の伝熱過程を計算するためのモデルや、蒸気の凝縮液膜による熱供給係数のモデル、尿素溶液の液膜による熱供給係数のモデル、そして蒸発加熱器の計算方法を確立した。元の設計値（1620t/日）と実際の装置の能力を比較することで、数学モデルの信頼性を検証し、2000t/日の処理能力を実現するための改造案を決定した。