2025年合成氨考試試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共30分）1.合成氨反應(yīng)N?+3H??2NH?的ΔH=-92.4kJ/mol，ΔS=-198.3J/(mol·K)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，該反應(yīng)能自發(fā)進行的溫度范圍是（）A.低于466KB.高于466KC.低于512KD.高于512K2.工業(yè)合成氨采用鐵基催化劑（主要成分為α-Fe），其活性中心的作用是（）A.降低反應(yīng)的活化能，同時改變平衡轉(zhuǎn)化率B.僅降低正反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率C.降低正、逆反應(yīng)活化能，同等程度提高速率D.提高N?的吸附解離能力，促進反應(yīng)進行3.合成氨原料氣中，CO?的主要危害是（）A.與H?反應(yīng)提供CH?，消耗原料氣B.與催化劑中的Fe反應(yīng)提供FeCO?，導(dǎo)致中毒C.與氨反應(yīng)提供尿素，影響產(chǎn)品純度D.增加系統(tǒng)壓力，降低設(shè)備效率4.某合成氨廠采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法制氣，一段轉(zhuǎn)化爐出口氣中CH?含量為3.2%（體積分?jǐn)?shù)），二段轉(zhuǎn)化爐加入空氣后，出口CH?含量降至0.3%，其主要原因是（）A.空氣提供的O?與CH?發(fā)生燃燒反應(yīng)，降低CH?濃度B.二段爐溫度更高，促進CH?深度轉(zhuǎn)化C.空氣引入的N?稀釋了CH?，降低其分壓D.二段爐催化劑活性更高，提高轉(zhuǎn)化效率5.合成氨系統(tǒng)中，循環(huán)氣的氫氮比（H?/N?）控制在2.8~3.2的主要原因是（）A.該比例接近化學(xué)計量比3:1，平衡轉(zhuǎn)化率最高B.防止H?過量導(dǎo)致催化劑還原過度C.避免N?過量增加壓縮機負荷D.提高反應(yīng)速率，同時兼顧平衡與動力學(xué)因素6.合成氨反應(yīng)的最佳操作溫度曲線是指（）A.隨反應(yīng)進度增加，溫度逐漸升高的曲線B.隨反應(yīng)進度增加，溫度先升后降的曲線C.各反應(yīng)進度下，使反應(yīng)速率最大的溫度D.各反應(yīng)進度下，使平衡轉(zhuǎn)化率最大的溫度7.合成氨系統(tǒng)中，水冷器的主要作用是（）A.降低循環(huán)氣溫度，使氨冷凝分離B.冷卻催化劑床層，防止超溫C.回收反應(yīng)熱，預(yù)熱原料氣D.除去原料氣中的水分，防止催化劑中毒8.某合成氨廠因原料氣中H?S含量突然升高（＞1ppm），最可能出現(xiàn)的問題是（）A.合成塔壓力驟降B.催化劑暫時性中毒，活性下降C.氨合成反應(yīng)速率加快D.水冷器結(jié)垢，換熱效率降低9.合成氨工藝中，采用加壓操作（15~30MPa）的主要目的是（）A.提高平衡轉(zhuǎn)化率，同時加快反應(yīng)速率B.降低壓縮機能耗C.減少循環(huán)氣量，降低系統(tǒng)負荷D.防止催化劑床層粉化10.合成氨催化劑還原時，控制H?O/H?＜0.1的主要原因是（）A.防止H?O與催化劑中的FeO反應(yīng)提供Fe?O?，降低活性B.避免H?O過多導(dǎo)致還原反應(yīng)逆向進行C.減少還原過程中產(chǎn)生的水蒸氣對設(shè)備的腐蝕D.控制還原速率，防止催化劑床層超溫11.合成氨系統(tǒng)中，弛放氣的主要成分是（）A.NH?、H?、N?B.H?、N?、Ar、CH?C.CO、CO?、H?OD.CH?、H?S、NH?12.采用等溫合成塔（列管式）的主要優(yōu)點是（）A.催化劑裝填量大，生產(chǎn)能力高B.反應(yīng)溫度均勻，接近最佳溫度曲線C.設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投資成本低D.操作彈性大，適應(yīng)原料氣波動13.合成氨原料氣凈化過程中，低溫甲醇洗法主要用于脫除（）A.H?S、CO?B.CO、H?OC.CH?、ArD.O?、N?14.某合成氨廠合成塔入口氣中NH?含量為2.5%，出口氣中NH?含量為18.2%，則氨的合成率（單程轉(zhuǎn)化率）約為（）A.15.7%B.18.2%C.20.7%D.22.3%15.合成氨工藝中，能量綜合利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是（）A.原料氣壓縮B.反應(yīng)熱回收（如副產(chǎn)蒸汽）C.氨的冷凝分離D.催化劑再生二、填空題（每空1分，共20分）1.合成氨反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)Kp隨溫度升高而______（填“增大”“減小”或“不變</think>）。2.鐵基合成氨催化劑的主要活性成分是______，常用的促進劑包括______（至少寫兩種）。3.烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法制氣的總反應(yīng)式為______（以CH?為例）。4.合成氨原料氣凈化中，CO變換反應(yīng)的方程式為______，該反應(yīng)為______（填“吸熱”或“放熱”）反應(yīng)。5.合成塔內(nèi)催化劑床層的溫度分布需兼顧______和______，通常采用______（填“絕熱”“等溫”或“變溫”）操作。6.合成氨系統(tǒng)中，循環(huán)氣的作用是______，其流量與新鮮原料氣流量的比值稱為______。7.氨的分離方法主要有______和______，工業(yè)上常用______。8.合成氨催化劑中毒可分為______中毒（如H?S）和______中毒（如CO?），前者可通過______恢復(fù)活性，后者需______。9.合成氨工藝中，單位產(chǎn)品（噸氨）的綜合能耗主要包括______和______（至少寫兩種）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述合成氨反應(yīng)中，溫度對反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率的影響，并說明工業(yè)上選擇操作溫度的依據(jù)。2.原料氣中為什么要嚴(yán)格控制H?O、CO、H?S等雜質(zhì)的含量？分別說明其危害。3.比較合成氨工業(yè)中加壓、催化、循環(huán)操作對提高經(jīng)濟效益的作用。4.合成氨催化劑還原的主要步驟和控制要點有哪些？5.某合成氨廠合成塔出口氨含量下降，可能的原因有哪些？請至少列出5點并分析。四、計算題（共20分）1.（8分）在30MPa、450℃下，合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=4.5×10??(MPa)?1。已知入口氣中H?:N?=3:1（無NH?），求平衡時氨的體積分?jǐn)?shù)（假設(shè)氣體為理想氣體，總壓不變）。2.（12分）某合成氨廠日產(chǎn)氨1500噸，合成塔入口氣中NH?含量為3%，出口氣中NH?含量為16%，循環(huán)氣與新鮮氣的摩爾比為4:1，新鮮氣中H?:N?=3:1（無惰性氣體）。（1）計算新鮮氣的流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，m3/h）；（2）若循環(huán)氣中惰性氣體（Ar+CH?）含量為12%，求每日弛放氣的流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，m3）。答案一、單項選擇題1.A（ΔG=ΔH-TΔS＜0，T＜ΔH/ΔS=92400/198.3≈466K）2.D（催化劑降低活化能，不改變平衡；鐵基催化劑通過吸附解離N?起作用）3.B（CO?與Fe反應(yīng)提供碳酸鹽，導(dǎo)致催化劑永久中毒）4.A（二段爐中O?與CH?燃燒放熱，提高溫度并消耗CH?）5.D（氫氮比略高于3:1可兼顧反應(yīng)速率與平衡）6.C（最佳溫度曲線是各反應(yīng)進度下使反應(yīng)速率最大的溫度）7.A（水冷器通過降溫使氨冷凝分離）8.B（H?S是催化劑的暫時性毒物，吸附后可脫附）9.A（加壓既提高平衡轉(zhuǎn)化率，又加快反應(yīng)速率）10.D（控制H?O/H?可防止還原過快導(dǎo)致床層超溫）11.B（弛放氣含未反應(yīng)的H?、N?及惰性氣體Ar、CH?）12.B（列管式等溫塔通過換熱維持溫度均勻）13.A（低溫甲醇洗可同時脫除H?S和CO?）14.A（合成率=（出口NH?-入口NH?）/(1-入口NH?)=（18.2-2.5）/(100-2.5)≈15.7%）15.B（反應(yīng)熱回收副產(chǎn)蒸汽是主要節(jié)能環(huán)節(jié)）二、填空題1.減小2.α-Fe；Al?O?、K?O、CaO（任選兩種）3.CH?+H?O?CO+3H?（主反應(yīng)），CO+H?O?CO?+H?（變換反應(yīng)）4.CO+H?O?CO?+H?；放熱5.動力學(xué)（反應(yīng)速率）；熱力學(xué)（平衡轉(zhuǎn)化率）；變溫（或絕熱）6.提高原料氣利用率；循環(huán)比7.冷凝法；水吸收法；冷凝法8.暫時性；永久性；脫毒再生；更換催化劑9.壓縮功；反應(yīng)熱損失（或原料氣加熱能耗、氨分離能耗等）三、簡答題1.溫度升高，反應(yīng)速率（動力學(xué)）增大，但平衡轉(zhuǎn)化率（熱力學(xué)）降低（因反應(yīng)放熱）。工業(yè)操作溫度選擇需在兩者間權(quán)衡，通常取催化劑活性最高的溫度范圍（400~500℃），并隨反應(yīng)進度（床層位置）調(diào)整，使實際溫度接近“最佳溫度曲線”（各轉(zhuǎn)化率下速率最大的溫度）。2.H?O：高溫下與催化劑中的Fe反應(yīng)提供Fe?O?，導(dǎo)致失活；CO：與Fe形成羰基鐵（Fe(CO)?），造成永久性中毒；H?S：吸附在催化劑表面，占據(jù)活性中心，導(dǎo)致暫時性中毒（可脫附再生）。3.加壓：提高平衡轉(zhuǎn)化率（熱力學(xué)有利），同時加快反應(yīng)速率（動力學(xué)有利），減少循環(huán)氣量；催化：降低活化能，大幅提高反應(yīng)速率，使反應(yīng)在較低溫度下高效進行；循環(huán)操作：未反應(yīng)的H?、N?返回系統(tǒng)，提高原料利用率（總轉(zhuǎn)化率接近100%），降低原料消耗。4.還原步驟：①升溫干燥（除去催化劑吸附水）；②低溫還原（200~300℃，脫除物理吸附氧）；③中溫還原（300~450℃，主要還原Fe?O?→Fe）；④高溫還原（450~500℃，徹底還原）。控制要點：嚴(yán)格控制H?O/H?＜0.1（防止還原逆反應(yīng)或超溫）；緩慢升溫（避免催化劑燒結(jié)）；監(jiān)測床層溫度分布（防止局部過熱）。5.可能原因：①催化劑活性下降（中毒、老化、粉化）；②操作溫度偏離最佳范圍（過高或過低）；③系統(tǒng)壓力降低（平衡轉(zhuǎn)化率下降）；④氫氮比失調(diào)（偏離2.8~3.2）；⑤循環(huán)氣中惰性氣體（Ar、CH?）含量過高（降低有效組分分壓）；⑥原料氣雜質(zhì)含量超標(biāo)（如H?O、CO導(dǎo)致催化劑失活）；⑦合成塔內(nèi)件損壞（氣體短路，未充分接觸催化劑）。四、計算題1.設(shè)入口N?為1mol，H?為3mol，平衡時N?轉(zhuǎn)化xmol，則：N?+3H??2NH?初始/mol：130平衡/mol：1-x3-3x2x總物質(zhì)的量=1-x+3-3x+2x=4-2x各組分分壓：p(N?)=(1-x)/(4-2x)×30，p(H?)=3(1-x)/(4-2x)×30，p(NH?)=2x/(4-2x)×30Kp=[p(NH?)]2/[p(N?)×p(H?)3]=[(2x×30)/(4-2x)]2/[((1-x)×30/(4-2x))×(3(1-x)×30/(4-2x))3]=(4x2×302)/[(1-x)×27(1-x)3×30?/(4-2x)?)]=(4x2(4-2x)?)/[27(1-x)?×302]=4.5×10??化簡得：x≈0.25（近似計算），平衡時NH?體積分?jǐn)?shù)=2x/(4-2x)=2×0.25/(4-0.5)=0.5/3.5≈14.29%2.（1）日產(chǎn)氨1500噸=1500×103kg=1500×10?g，NH?摩爾數(shù)=1500×10?/17≈8.8235×10?mol/日=8.8235×10?/(24×3600)≈1026.8mol/s設(shè)新鮮氣流量為F（mol/s），循環(huán)氣流量為4F（mol/s），入口氣總流量=F+4F=5F入口NH?含量3%，即NH?流量=5F×0.03=0.15F；出口NH?含量16%，即NH?流量=5F×0.16=0.8F氨的提供速率=0.8F-0.15F=0.65F=1026.8mol/s→F≈1579.7mol/s標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積=1579.7×22.4×10?3≈