2025年合成氨工藝試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.現(xiàn)代合成氨工業(yè)中，以天然氣為原料制備原料氣時(shí)，轉(zhuǎn)化工序的主要反應(yīng)是（）A.CH?+H?O→CO+3H?（ΔH>0）B.CO+H?O→CO?+H?（ΔH<0）C.2CH?+O?→2CO+4H?（ΔH<0）D.CO?+4H?→CH?+2H?O（ΔH<0）2.合成氨反應(yīng)N?+3H??2NH?（ΔH=-92.4kJ/mol）的最佳操作溫度選擇依據(jù)是（）A.使平衡轉(zhuǎn)化率最大B.使反應(yīng)速率最快C.兼顧平衡轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速率的綜合最優(yōu)D.催化劑活性溫度范圍3.低溫甲醇洗工藝中，甲醇溶液主要用于脫除原料氣中的（）A.H?S和CO?B.H?O和O?C.CH?和ArD.NH?和H?4.合成氨工業(yè)中，銅氨液洗滌法的主要作用是（）A.脫除CO和CO?B.脫除H?S和有機(jī)硫C.脫除O?和水分D.脫除CH?和惰性氣體5.以下關(guān)于合成氨催化劑的描述，錯(cuò)誤的是（）A.傳統(tǒng)熔鐵催化劑以Fe?O?為母體B.釕基催化劑的活性高于熔鐵催化劑C.催化劑中添加K?O可提高電子施主能力D.催化劑中毒后可通過(guò)高溫再生完全恢復(fù)活性6.某合成氨裝置采用低壓法（15-20MPa），其主要優(yōu)勢(shì)是（）A.設(shè)備投資低B.平衡轉(zhuǎn)化率高C.能耗顯著降低D.催化劑壽命更長(zhǎng)7.原料氣制備過(guò)程中，煤氣化工藝（以煤為原料）的主要產(chǎn)物是（）A.H?、CO、CO?、CH?B.H?、N?、CO?、H?OC.H?、O?、H?S、CH?D.H?、NH?、CO、H?O8.合成氨系統(tǒng)中，循環(huán)氣的主要成分是（）A.N?、H?、NH?、ArB.N?、H?、CO、CO?C.H?、NH?、H?O、CH?D.N?、H?、O?、H?S9.以下不屬于合成氨工藝節(jié)能技術(shù)的是（）A.余熱回收發(fā)電B.膜分離提濃H?C.電催化合成氨D.提高操作壓力至30MPa10.合成塔內(nèi)件設(shè)計(jì)中，采用徑向流動(dòng)結(jié)構(gòu)的主要目的是（）A.增加催化劑裝填量B.降低氣體流動(dòng)阻力C.提高反應(yīng)溫度均勻性D.減少NH?的二次分解二、填空題（每空1分，共20分）1.合成氨原料氣的“三氣”凈化過(guò)程包括______、______和______。2.甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的關(guān)鍵控制參數(shù)是______和______，過(guò)高的水碳比會(huì)導(dǎo)致______。3.一氧化碳變換反應(yīng)分為_(kāi)_____和______兩步，前者使用的催化劑是______，后者使用的催化劑是______。4.合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp隨溫度升高而______（增大/減?。?，隨壓力升高而______（增大/減?。?.新型釕基催化劑的載體通常選用______，其活性中心為_(kāi)_____，與傳統(tǒng)熔鐵催化劑相比，具有______和______的特點(diǎn)。6.合成氨系統(tǒng)的惰性氣體主要包括______和______，其含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致______，通常通過(guò)______控制其濃度。7.氨分離的主要方法有______和______，其中______法的分離效率更高。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述以煤為原料制備合成氨原料氣的主要工藝流程，并說(shuō)明與天然氣制氣工藝的核心差異。2.分析合成氨反應(yīng)中，操作壓力對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率及設(shè)備投資的影響，并說(shuō)明現(xiàn)代工藝選擇中壓法（15-30MPa）的原因。3.原料氣中硫化物的危害有哪些？請(qǐng)列舉三種不同的脫硫方法，并說(shuō)明其適用場(chǎng)景。4.合成氨催化劑失活的主要原因有哪些？針對(duì)每種失活原因，提出相應(yīng)的預(yù)防或再生措施。5.簡(jiǎn)述合成氨工藝中能量綜合利用的主要途徑，并舉例說(shuō)明如何通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化降低能耗。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某合成氨裝置以天然氣為原料，甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化爐入口氣體組成為（體積%）：CH?85%、H?O15%，出口氣體中CH?的轉(zhuǎn)化率為98%。假設(shè)反應(yīng)僅發(fā)生CH?+H?O=CO+3H?，忽略其他副反應(yīng)，計(jì)算出口氣體中各組分的體積分?jǐn)?shù)（保留兩位小數(shù)）。2.合成塔入口氣體組成為（體積%）：N?25%、H?75%（無(wú)惰性氣體），操作壓力為20MPa，溫度為450℃，反應(yīng)平衡常數(shù)Kp=5.8×10??（MPa?1）。計(jì)算該條件下氨的平衡摩爾分?jǐn)?shù)（已知平衡時(shí)總壓為20MPa，Kp=(p(NH?))2/[p(N?)·(p(H?))3]，p(i)=y(i)·P總）。五、綜合分析題（20分）某合成氨廠采用天然氣制氣工藝，近期發(fā)現(xiàn)合成塔出口氨濃度由18%下降至15%，經(jīng)檢測(cè)循環(huán)氣中惰性氣體（Ar+CH?）含量由5%升至8%，催化劑床層熱點(diǎn)溫度由480℃降至460℃。請(qǐng)分析可能的原因，并提出3條針對(duì)性的改進(jìn)措施，說(shuō)明每條措施的原理及預(yù)期效果。答案一、單項(xiàng)選擇題1.A2.C3.A4.A5.D6.C7.A8.A9.D10.B二、填空題1.脫硫；一氧化碳變換；脫碳（或氣體精制）2.溫度；水碳比；能耗增加（或設(shè)備負(fù)荷增大）3.高變（高溫變換）；低變（低溫變換）；鐵鉻系；銅鋅系4.減??；不變（平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)）5.活性炭（或炭載體）；Ru（釕）；低溫活性好；抗毒性強(qiáng)（或壓力適應(yīng)性廣）6.Ar（氬氣）；CH?（甲烷）；平衡轉(zhuǎn)化率下降（或循環(huán)功增加）；排放弛放氣7.冷凝分離（或水冷+氨冷）；吸收分離；冷凝三、簡(jiǎn)答題1.煤制氣工藝流程：煤→煤氣化（氧氣+水蒸氣）→粗煤氣（H?、CO、CO?、H?S、CH?、灰分）→除塵→脫硫→一氧化碳變換（高變+低變）→脫碳（脫除CO?）→氣體精制（脫除殘余CO、CO?）→合格原料氣（H?:N?≈3:1）。與天然氣制氣的核心差異：①原料不同，煤需氣化（強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需外供熱量），天然氣直接蒸汽轉(zhuǎn)化（需高溫但流程更短）；②粗煤氣中CO含量高（約40-60%），變換負(fù)荷大；③含硫量高（需多級(jí)脫硫）；④惰性氣體（CH?、Ar）含量較低（煤氣化CH?生成量少）。2.壓力影響：①平衡轉(zhuǎn)化率：壓力升高，反應(yīng)向正方向移動(dòng)，平衡轉(zhuǎn)化率提高；②反應(yīng)速率：壓力升高，氣體分子濃度增大，反應(yīng)速率加快；③設(shè)備投資：壓力越高，設(shè)備材質(zhì)要求（如耐高壓）、制造難度及投資越大。選擇中壓法原因：低壓法（<15MPa）雖設(shè)備投資低，但平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率均較低，需更大的催化劑裝填量和循環(huán)功；高壓法（>30MPa）平衡轉(zhuǎn)化率高但設(shè)備投資和能耗顯著增加；中壓法兼顧了轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率與經(jīng)濟(jì)性，綜合效益最優(yōu)（現(xiàn)代工藝通過(guò)催化劑改進(jìn)和流程優(yōu)化，可在15-30MPa下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行）。3.硫化物危害：①使催化劑中毒（尤其熔鐵催化劑對(duì)S敏感，0.1ppm即可失活）；②腐蝕設(shè)備和管道；③影響后續(xù)工序（如脫碳溶劑降解）。脫硫方法及適用場(chǎng)景：①干法脫硫（如氧化鋅脫硫）：適用于低硫含量（<100ppm）的精細(xì)脫硫，用于原料氣精制；②濕法脫硫（如ADA法、栲膠法）：適用于高硫含量（>1000ppm）的粗脫硫，處理煤氣化或重油氣化后的粗煤氣；③低溫甲醇洗脫硫：與脫碳聯(lián)合，適用于高壓力、大流量的氣體凈化，可同時(shí)脫除H?S和CO?（如大型合成氨裝置）。4.催化劑失活原因及措施：①中毒失活：原料氣中S、P、As等雜質(zhì)吸附在活性中心，阻斷反應(yīng)。預(yù)防措施：嚴(yán)格控制原料氣硫含量（<0.1ppm），增設(shè)精脫硫工序；②燒結(jié)失活：長(zhǎng)期高溫導(dǎo)致催化劑晶粒長(zhǎng)大，比表面積減小。預(yù)防措施：控制床層溫度不超過(guò)催化劑允許上限（如熔鐵催化劑<550℃）；③機(jī)械失活：氣流沖刷或床層壓差過(guò)大導(dǎo)致催化劑破碎。預(yù)防措施：優(yōu)化氣體分布器設(shè)計(jì)，避免局部流速過(guò)高；④化學(xué)老化：長(zhǎng)期使用后活性組分緩慢流失。再生措施：部分中毒可通過(guò)惰性氣體吹掃或還原氣氛再生（如輕微硫中毒），燒結(jié)和老化需更換催化劑。5.能量綜合利用途徑：①余熱回收：轉(zhuǎn)化爐煙氣余熱用于預(yù)熱原料氣或產(chǎn)生蒸汽；合成塔出口高溫氣體（含氨）通過(guò)廢熱鍋爐生產(chǎn)高壓蒸汽；②蒸汽梯級(jí)利用：高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，低壓蒸汽用于加熱或工藝伴熱；③弛放氣回收：弛放氣（含H?、N?、CH?）作為燃料氣或通過(guò)膜分離回收H?返回系統(tǒng)；④電驅(qū)動(dòng)替代：采用高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵和壓縮機(jī)，減少蒸汽透平能耗。舉例：某廠將合成塔出口氣體（約400℃）先通過(guò)廢熱鍋爐產(chǎn)生3.5MPa蒸汽（用于變換工序加熱），再經(jīng)水冷器降溫至80℃，最后通過(guò)氨冷器（-15℃）分離液氨。蒸汽用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，減少了外購(gòu)電力；弛放氣通過(guò)膜分離（H?回收率90%）返回合成系統(tǒng)，降低了原料氣消耗，綜合能耗降低約12%。四、計(jì)算題1.設(shè)入口氣體總量為100mol，則CH?=85mol，H?O=15mol。CH?轉(zhuǎn)化率98%，反應(yīng)的CH?=85×0.98=83.3mol。反應(yīng)式：CH?+H?O→CO+3H?消耗H?O=83.3mol（需判斷H?O是否過(guò)量：入口H?O=15mol<83.3mol，說(shuō)明題目假設(shè)H?O過(guò)量，可能為簡(jiǎn)化計(jì)算，實(shí)際應(yīng)補(bǔ)充H?O量。但按題設(shè)條件，可能存在矛盾，需修正假設(shè)：正確應(yīng)為水碳比≥3，即H?O/CH?≥3，因此入口H?O應(yīng)為85×3=255mol，題目可能數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。現(xiàn)按題目給定數(shù)據(jù)計(jì)算，假設(shè)H?O足夠）。生成CO=83.3mol，H?=83.3×3=249.9mol。剩余CH?=85-83.3=1.7mol，剩余H?O=15-83.3=-68.3mol（不合理，說(shuō)明題目數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，正確水碳比應(yīng)≥3）。修正后，入口H?O=85×3=255mol（水碳比3:1），則：消耗H?O=83.3mol，剩余H?O=255-83.3=171.7mol。出口氣體總量=剩余CH?+剩余H?O+CO+H?=1.7+171.7+83.3+249.9=506.6mol。各組分體積分?jǐn)?shù)：CH?：1.7/506.6≈0.34%H?O：171.7/506.6≈33.90%CO：83.3/506.6≈16.45%H?：249.9/506.6≈49.33%（注：題目原始數(shù)據(jù)可能存在水碳比不合理問(wèn)題，實(shí)際工業(yè)水碳比通常為3-5，故修正后計(jì)算）2.設(shè)入口氣體總量為1mol，N?=0.25mol，H?=0.75mol，平衡時(shí)NH?=2xmol，則：N?+3H??2NH?初始：0.250.750平衡：0.25-x0.75-3x2x總物質(zhì)的量n總=(0.25-x)+(0.75-3x)+2x=1-2x各組分分壓：p(N?)=(0.25-x)/(1-2x)×20p(H?)=(0.75-3x)/(1-2x)×20=3(0.25-x)/(1-2x)×20p(NH?)=2x/(1-2x)×20代入Kp表達(dá)式：Kp=[(2x×20)/(1-2x)]2/[(0.25-x)×20/(1-2x)×(3(0.25-x)×20/(1-2x))3]=(4x2×400)/(1-2x)2/[(0.25-x)×20×27(0.25-x)3×8000/(1-2x)^4)]=(1600x2)/(1-2x)2×(1-2x)^4/[20×27×8000(0.25-x)^4]=1600x2(1-2x)2/(4320000(0.25-x)^4)=x2(1-2x)2/(2700(0.25-x)^4)=5.8×10??MPa?1簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)x較小，1-2x≈1，0.25-x≈0.25，則：x2/(2700×0.25?)≈5.8×10??x2≈5.8×10??×2700×0.00390625≈5.8×10??×10.546875≈0.006117x≈0.0782平衡時(shí)NH?摩爾分?jǐn)?shù)=2x/(1-2x)=2×0.0782/(1-0.1564)=0.1564/0.8436≈18.54%（與實(shí)際工業(yè)數(shù)據(jù)接近，驗(yàn)證合理性）五、綜合分析題可能原因分析：①惰性氣體積累：循環(huán)氣中Ar、CH?含量升高（5%→8%），導(dǎo)致有效組分（H?、N?）分壓降低，平衡轉(zhuǎn)化率下降（根據(jù)平衡移動(dòng)原理，惰性氣體不參與反應(yīng)但占據(jù)分壓，相當(dāng)于稀釋了反應(yīng)物）；②催化劑活性下降：床層熱點(diǎn)溫度降低（480℃→460℃），可能是催化劑部分失活（如輕微硫中毒或燒結(jié)），導(dǎo)致反應(yīng)速率減慢，出口氨濃度降低；③原料氣凈化效果變差：可能脫硫、脫碳工序效率下降，導(dǎo)致少量毒物（如S、O?）進(jìn)入合成系統(tǒng)，影響催化劑活性；④循環(huán)氣流量或合成塔操作條件調(diào)整：如循環(huán)量增大、空速過(guò)高，氣體與催化劑接觸時(shí)間縮短，反應(yīng)不完全。改進(jìn)措施及原理：1.增加弛放氣排放量：通過(guò)提高弛放氣排放速率，降低循環(huán)氣中惰性氣體濃度（如控制在5%以下）。原理：減少惰性氣體分壓，提高H?、N?的有效分壓，促進(jìn)平衡向生成NH?方向移動(dòng)，預(yù)期出口氨濃度可回升1-2%。2.優(yōu)化催化劑再生：若為輕微中毒（如硫中毒），可通入少量還原性氣體（如H?）在450-500℃下再生，恢復(fù)活性中心。原理：還原性氣氛可將吸附的硫化物還原為H?S脫附，重新暴露活性位點(diǎn)，預(yù)期催化劑活性恢復(fù)后，熱點(diǎn)溫度