磷酸脲作为一种重要的精细磷酸盐,在农业、工业、饲料、阻燃材料等行业方面获得了越来越多的应用,市场前景广阔。冷却结晶是磷酸脲工业生产中最重要的分离提纯过程,对磷酸脲的产品质量和市场价格起着决定作用。对磷酸脲冷却结晶过程进行系统研究,探寻其结晶规律,以获得平均粒径较大且分布均匀的磷酸脲晶体,这能够加深我们对磷酸脲结晶过程的认识,有助于指导工业生产出高品质的磷酸脲产品。基于国内对于磷酸脲物化性质与磷酸脲结晶过程研究相对较少,本论文开展了如下研究:(1)通过热法磷酸与尿素制得高纯度工业级磷酸脲晶体,根据国标GB/T27805-2011对所获的产品进行理化检测,各项指标达到工业级磷酸脲要求,收率为80%。通过高倍显微镜观察,其晶形为典型双六棱锥型,表面透明光滑,利用XRD进一步证明,自制磷酸脲的晶体结构特征峰与标准卡片吻合良好。利用微机熔点仪测得磷酸脲晶体熔点为116.8℃,与文献值符合良好。(2)采用微反应量热技术测量了磷酸脲在20℃到80℃的比热容数据,结果表明在实验温度范围内,磷酸脲固体比热容呈良好线性关系,并由此计算了此温度区间磷酸脲的基本热力学参数。同时采用热重分析仪对磷酸脲的热稳定性进行了分析,通过积分法与微分法得到不同升温速率的磷酸脲热解活化能。(3)自行研制开发了一套动态激光散射法溶解度测定装置,精确度高,重复性好。利用该装置系统测定了在15到75℃温度范围内磷酸脲在水中溶解度。结果表明,磷酸脲在水中溶解度较大且随温度呈指数函数变化,证明了采用冷却结晶获得高收率磷酸脲的可行性,并为结晶过程的设计提供重要数据。同时测量了工业生产上杂质中含量最高的硫酸根对磷酸脲溶解度的影响,发现磷酸根的存在会降低磷酸脲的溶解度,温度越高,降低幅度越大。利用微反应量热技术测量了磷酸脲在水溶液中溶解热(结晶过程的结晶热),发现其随温度升高而减小,且呈良好线性关系。(4)通过变温实验,测定了磷酸脲在纯水中及3%硫酸水溶液中的介稳区及初级成核动力学。磷酸脲在两种溶剂中的介稳区宽度随着饱和温度升高,均呈现先变宽,后变窄的趋势;随着降温速率增大,二者介稳区均变宽。同时磷酸脲在3%硫酸水溶液中介稳区较纯水中介稳区偏小。(5)通过冷却结晶实验研究了磷酸脲结晶过程影响因素。随着降温速率提高,磷酸脲平均粒径减小,晶形变差,表面光滑程度变差;随着搅拌速率增大,磷酸脲平均粒径增大,晶形变好,表面光滑程度变好;随着晶种投加温度低于饱和平衡温度距离增大,磷酸脲平均粒径减小,晶形变差,表面光滑程度变差。在降温速率为0.3℃/min,搅拌速率300 r/min,晶种投加温度为饱和平衡温度时,磷酸脲产品的平均粒径可大于800μm,表面平整光滑,呈双六棱锥型。(6)通过间歇冷却结晶实验研究了磷酸脲的结晶动力学,测定了磷酸脲在冷却结晶过程中液相浓度、过饱和度、晶浆密度及晶浆中磷酸脲粒度分布的变化,对偏微分粒数衡算方程进行了拉普拉斯变换求解,获得了磷酸脲结晶过程的成核速率和生长速率方程,为其结晶过程的设计提供了重要依据。