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.合成氨工業(yè)中，原料氣“凈化”過程不包括以下哪一步驟？A.脫硫B.脫碳C.脫氧D.脫除甲烷2.現(xiàn)代合成氨工藝中，最常用的鐵基催化劑活性成分是？A.FeOB.Fe?O?C.α-FeD.Fe?O?3.合成氨反應(yīng)（N?+3H??2NH?）的熱力學(xué)特征是？A.吸熱、體積增大B.放熱、體積減小C.吸熱、體積減小D.放熱、體積增大4.以下哪種氣體是合成氨原料氣中最主要的惰性組分？A.ArB.CH?C.CO?D.H?O5.中溫變換反應(yīng)（CO+H?O?CO?+H?）的適宜操作溫度范圍是？A.180-260℃B.260-350℃C.350-500℃D.500-600℃6.合成氨系統(tǒng)中，循環(huán)氣的主要作用是？A.提高反應(yīng)物濃度B.降低系統(tǒng)壓力C.減少熱量損失D.回收未反應(yīng)的原料氣7.氨合成塔內(nèi)設(shè)置多層催化劑床層的主要目的是？A.增大反應(yīng)接觸面積B.控制反應(yīng)溫度C.提高氣體流速D.減少催化劑用量8.以下哪種方法不屬于氨分離的常用技術(shù)？A.水吸收法B.低溫冷凝法C.膜分離法D.油吸收法9.合成氨工藝中，脫硫工序若采用氧化鋅法，其主要脫除的是？A.有機(jī)硫（如CS?）B.硫化氫（H?S）C.二氧化硫（SO?）D.硫醇（RSH）10.為提高合成氨反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，工業(yè)上通常采取的措施是？A.降低壓力B.升高溫度C.使用催化劑D.及時(shí)分離產(chǎn)物二、填空題（每空1分，共20分）1.合成氨原料氣的制備方法主要有__________、__________和__________（任寫三種）。2.一氧化碳變換反應(yīng)中，高溫變換催化劑的主要成分是__________，低溫變換催化劑的活性組分是__________。3.合成氨系統(tǒng)中，新鮮氣與循環(huán)氣的比例稱為__________，其數(shù)值大小直接影響系統(tǒng)的__________和__________。4.氨合成塔的熱量回收方式主要有__________和__________，前者通過副產(chǎn)蒸汽實(shí)現(xiàn)能量利用，后者通過預(yù)熱反應(yīng)物降低能耗。5.原料氣脫碳的常用方法包括__________（物理吸收）和__________（化學(xué)吸收，任寫一種）。6.合成氨反應(yīng)的最適宜溫度是指__________與__________達(dá)到平衡時(shí)的溫度，實(shí)際生產(chǎn)中通?？刂圃赺_________℃。7.催化劑失活的主要原因包括__________、__________和__________（任寫三種）。8.合成氨工藝中，氫氮比（H?/N?）的理論值為__________，實(shí)際控制在__________以提高反應(yīng)速率。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述合成氨原料氣凈化的必要性及主要步驟。2.說明一氧化碳變換反應(yīng)在合成氨工藝中的作用，并分析溫度對(duì)該反應(yīng)的影響。3.比較低溫甲醇洗法與熱鉀堿法脫碳的優(yōu)缺點(diǎn)。4.簡述氨合成塔的主要結(jié)構(gòu)類型及其特點(diǎn)（任寫兩種）。5.分析循環(huán)氣中惰性氣體（如CH?、Ar）含量對(duì)合成氨生產(chǎn)的影響。四、計(jì)算題（每題10分，共30分）1.某合成氨裝置日產(chǎn)液氨1500噸（純度99.5%），假設(shè)氨合成反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率為15%，循環(huán)氣中氨含量為3%（體積分?jǐn)?shù)），計(jì)算每小時(shí)需補(bǔ)充的新鮮原料氣中氫氣的物質(zhì)的量（液氨密度0.682t/m3，摩爾質(zhì)量17g/mol，忽略損失）。2.已知合成氨反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變?chǔ)°=-92.4kJ/mol，某合成塔入口氣體溫度為400℃，出口溫度為480℃，若每小時(shí)處理氣體量為10000Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），其中H?:N?=3:1，假設(shè)反應(yīng)熱全部用于氣體升溫（氣體平均定壓熱容Cp=30J/(mol·K)），計(jì)算該反應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)化率（氣體摩爾體積取22.4Nm3/kmol）。3.某合成氨系統(tǒng)中，循環(huán)氣組成為H?60%、N?20%、NH?3%、CH?+Ar17%（體積分?jǐn)?shù)），新鮮氣組成為H?74%、N?24%、CH?+Ar2%。系統(tǒng)每日排放弛放氣5000Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），計(jì)算循環(huán)氣與新鮮氣的體積比（假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，忽略氨溶解損失）。五、論述題（每題10分，共20分）1.結(jié)合熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)原理，論述合成氨工藝中操作壓力選擇的依據(jù)，并分析高壓法（≥30MPa）與中壓法（15-30MPa）的優(yōu)缺點(diǎn)。2.隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，合成氨工業(yè)面臨節(jié)能降耗與低碳轉(zhuǎn)型需求。請(qǐng)從原料替代、工藝改進(jìn)、能量回收三個(gè)方面，提出具體的技術(shù)路徑，并分析其可行性。答案一、單項(xiàng)選擇題1.D2.C3.B4.B5.C6.D7.B8.A9.B10.D二、填空題1.天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法；煤（焦炭）氣化法；重油部分氧化法2.Fe?O?（或鐵鉻系）；Cu-Zn-Al系（或銅基）3.循環(huán)比；能耗；生產(chǎn)強(qiáng)度4.廢熱鍋爐；熱交換器5.低溫甲醇洗；熱鉀堿法（或MDEA法）6.反應(yīng)速率；平衡轉(zhuǎn)化率；450-5507.中毒；燒結(jié)（或高溫失活）；結(jié)焦（或積碳）8.3:1；2.8-3.1三、簡答題1.必要性：原料氣中含有的H?S、CO、CO?等雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒、腐蝕設(shè)備、降低反應(yīng)效率，必須凈化至ppm級(jí)。主要步驟：脫硫（脫除H?S及有機(jī)硫）、一氧化碳變換（將CO轉(zhuǎn)化為H?和CO?）、脫碳（脫除CO?）、精脫硫（深度脫除殘余硫）、甲烷化（或液氮洗，脫除微量CO、CO?）。2.作用：將原料氣中的CO轉(zhuǎn)化為H?（增加氫氣產(chǎn)量），同時(shí)降低CO濃度（避免后續(xù)工序催化劑中毒）。溫度影響：變換反應(yīng)為放熱反應(yīng)，低溫有利于平衡向正方向移動(dòng)（提高CO轉(zhuǎn)化率），但低溫下反應(yīng)速率慢；高溫可提高反應(yīng)速率，但平衡轉(zhuǎn)化率降低。因此工業(yè)上采用多段催化床層，先高溫（中變）提高速率，后低溫（低變）提高轉(zhuǎn)化率。3.低溫甲醇洗法（物理吸收）優(yōu)點(diǎn)：對(duì)H?S、CO?等雜質(zhì)吸收能力強(qiáng)，選擇性好，可同時(shí)脫除多種雜質(zhì)；溶劑（甲醇）循環(huán)量小，能耗低。缺點(diǎn)：需低溫操作（-50℃左右），設(shè)備投資高；甲醇有毒，需嚴(yán)格密封。熱鉀堿法（化學(xué)吸收）優(yōu)點(diǎn)：溶劑（碳酸鉀溶液）成本低，操作溫度較高（100-130℃），設(shè)備材質(zhì)要求低；缺點(diǎn)：吸收速率慢，再生能耗高（需蒸汽加熱），對(duì)有機(jī)硫脫除能力差。4.①軸向塔：氣體沿催化劑床層軸向流動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，投資低；但床層溫差大（軸向溫度梯度大），催化劑利用率較低。②徑向塔：氣體沿徑向流動(dòng)，流速低，壓力降?。淮矊訙囟确植季鶆颍呋瘎┗钚岳贸浞?；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度高。③軸徑向塔：結(jié)合軸向與徑向流動(dòng)特點(diǎn)，兼顧壓力降與溫度控制，是目前主流塔型。5.惰性氣體（CH?、Ar）不參與反應(yīng)，會(huì)降低循環(huán)氣中H?、N?的分壓，導(dǎo)致反應(yīng)速率下降、平衡轉(zhuǎn)化率降低；同時(shí)，惰性氣體積累會(huì)增加系統(tǒng)壓力，需通過排放弛放氣維持含量穩(wěn)定。但適當(dāng)保留惰性氣體可減少弛放氣排放量（降低原料氣損失），因此工業(yè)上需控制其含量（通常CH?+Ar≤15%），具體數(shù)值需根據(jù)催化劑活性、操作壓力等調(diào)整。四、計(jì)算題1.解：液氨日產(chǎn)量=1500×10?g×99.5%=1.4925×10?g氨的摩爾數(shù)=1.4925×10?g/17g/mol≈8.78×10?mol每日需合成的氨總量（考慮循環(huán)）=8.78×10?mol/(1-3%)≈9.05×10?mol（循環(huán)氣中氨未分離完全，實(shí)際需合成量=產(chǎn)品量/(1-循環(huán)氣氨含量)）單程轉(zhuǎn)化率15%，則每小時(shí)反應(yīng)的氨量=9.05×10?mol/24h≈3.77×10?mol/h根據(jù)反應(yīng)式N?+3H?→2NH?，每提供2molNH?需3molH?，故每小時(shí)需反應(yīng)的H?量=3.77×10?mol/h×(3/2)=5.66×10?mol/h補(bǔ)充的新鮮氣中H?量=反應(yīng)消耗的H?量/(1-循環(huán)氣中H?的損失)，但循環(huán)氣中H?未反應(yīng)，需補(bǔ)充的H?為反應(yīng)消耗的H?（因循環(huán)氣中H?會(huì)循環(huán)使用）。因此，每小時(shí)補(bǔ)充新鮮氣中H?的物質(zhì)的量=5.66×10?mol/h。（注：實(shí)際計(jì)算需考慮循環(huán)氣中H?的含量，假設(shè)循環(huán)氣中H?占比為H，則補(bǔ)充量=反應(yīng)消耗H?/(1-循環(huán)氣中H?的循環(huán)率)，但題目未提供循環(huán)氣H?含量，簡化為反應(yīng)消耗的H?即為補(bǔ)充量。）2.解：氣體總物質(zhì)的量=10000Nm3/22.4Nm3/kmol≈446.43kmol=4.4643×10?mol氣體升溫吸收的熱量=4.4643×10?mol×30J/(mol·K)×(480-400)K=4.4643×10?×30×80=1.071×10?J=1071MJ反應(yīng)放熱=ΔH°×轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量=92.4kJ/mol×n（n為轉(zhuǎn)化的NH?的物質(zhì)的量的一半，因反應(yīng)式提供2molNH?放熱92.4kJ）實(shí)際反應(yīng)放熱=1071MJ=1071×103kJ設(shè)轉(zhuǎn)化的N?為xmol，則提供2xmolNH?，放熱92.4xkJ（因2molNH?放熱92.4kJ，故xmolN?提供2xmolNH?放熱92.4xkJ）則92.4x=1071×103→x≈11590mol入口氣體中N?的物質(zhì)的量=4.4643×10?mol×(1/4)=1.116×10?mol（H?:N?=3:1，總比例4）轉(zhuǎn)化率=11590mol/1.116×10?mol≈10.4%3.解：設(shè)循環(huán)氣體積為V，新鮮氣體積為F，弛放氣體積為G=5000Nm3/d。穩(wěn)定狀態(tài)下，惰性氣體（CH?+Ar）的輸入=輸出：新鮮氣中惰性氣體量=2%×F循環(huán)氣中惰性氣體量=17%×V弛放氣中惰性氣體量=17%×G（因弛放氣組成與循環(huán)氣相同）輸入=輸出：2%×F=17%×G→F=(17/2)×G=8.5×5000=42500Nm3/d循環(huán)氣中H?、N?的平衡：新鮮氣中H?=74%×F，N?=24%×F循環(huán)氣中H?=60%×V，N?=20%×V反應(yīng)消耗的H?:N?=3:1，設(shè)每日反應(yīng)消耗N?為yNm3，則消耗H?=3yNm3輸出的氨中N?量=2yNm3（反應(yīng)式N?+3H?→2NH?，1molN?提供2molNH?）H?平衡：74%×F+60%×V=3y+60%×V（循環(huán)氣中H?循環(huán)，故H?輸入=新鮮氣H?+循環(huán)氣H?=消耗H?+循環(huán)氣H?）→74%×F=3yN?平衡：24%×F+20%×V=y+20%×V（同理）→24%×F=y代入H?平衡：74%×F=3×24%×F→74=72（近似成立，誤差因假設(shè)弛放氣組成與循環(huán)氣相同）循環(huán)比=V/F，根據(jù)惰性氣體平衡：循環(huán)氣中惰性氣體總量=17%×V=新鮮氣帶入的惰性氣體+循環(huán)氣中未排出的惰性氣體但穩(wěn)定狀態(tài)下，循環(huán)氣中惰性氣體積累量=0，故新鮮氣帶入的惰性氣體=弛放氣排出的惰性氣體=17%×G因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量=17%=(2%×F+17%×V-17%×G)/V（不成立，正確方法應(yīng)為：循環(huán)氣中惰性氣體的濃度=(新鮮氣帶入的惰性氣體)/(循環(huán)氣中排出的惰性氣體量/循環(huán)氣中惰性氣體濃度)）簡化計(jì)算：循環(huán)比R=V/F，則循環(huán)氣中惰性氣體濃度=(2%×F+17%×V-17%×G)/V=17%（穩(wěn)定）因G=5000，F(xiàn)=42500，代入得：2%×42500+17%×V×R-17%×5000=17%×V×R解得：2%×42500=17%×5000→850=850，成立。因此循環(huán)比R=V/F=(總循環(huán)氣量)/新鮮氣量，實(shí)際需通過物料平衡計(jì)算，此處假設(shè)循環(huán)氣中H?、N?的消耗等于產(chǎn)品中的量，最終循環(huán)比約為5-6（具體數(shù)值需更詳細(xì)數(shù)據(jù)，此處簡化為R≈5）。五、論述題1.合成氨反應(yīng)為體積減小的放熱反應(yīng)，提高壓力可增大平衡轉(zhuǎn)化率（熱力學(xué)有利），同時(shí)提高氣體分壓，加快反應(yīng)速率（動(dòng)力學(xué)有利）。但壓力過高會(huì)增加設(shè)備投資（如合成塔、壓縮機(jī)）、能耗及操作難度。高壓法（≥30MPa）優(yōu)點(diǎn)：平衡轉(zhuǎn)化率高，氨合成率（單程）可達(dá)20%-25%，循環(huán)比小（減少循環(huán)壓縮能耗）；缺點(diǎn)：設(shè)備材質(zhì)要求高（需耐高壓），投資大，操作安全性低，能耗（壓縮功）隨壓力升高顯著增加。中壓法（15-30MPa）優(yōu)點(diǎn)：兼顧熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性，設(shè)備投資適中，操作穩(wěn)定，目前工業(yè)主流（占比約80%）；缺點(diǎn)：單程轉(zhuǎn)化率略低（15%-20%），需較大循環(huán)比，循環(huán)壓縮能耗較高。選擇依據(jù)：需綜合考慮催化劑活性（高活性催化劑可在較低壓力下實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)化率）、原料成本（廉價(jià)原料可承受較高能耗）、設(shè)備技術(shù)（如新型壓縮機(jī)降低高壓能耗）等因素。2.原料替代：①用綠氫（風(fēng)電、光伏電解水制氫）替代傳統(tǒng)化石燃料制氫，減少CO?排放；②利用生物質(zhì)氣化或垃圾氣化制備合成氣，降低原料碳強(qiáng)度?？尚行裕壕G氫成本逐步下降（2025年預(yù)計(jì)降至20-25元/kg），但電解槽投資高；生物質(zhì)氣化受原料收集半徑限制，需配套規(guī)?；幚碓O(shè)施。工藝