2025年合成氨工藝考試資料含答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.合成氨反應(yīng)的主反應(yīng)式為（）。A.N?+3H?→2NH?（高溫高壓，催化劑）B.N?+3H??2NH?（ΔH=-92.4kJ/mol）C.N?+2H?→2NH?（放熱反應(yīng)）D.N?+4H??2NH?+H?（可逆反應(yīng)）答案：B2.合成氨工藝中，鐵基催化劑的主要活性成分是（）。A.FeOB.Fe?O?C.Fe?O?（還原后為α-Fe）D.FeS答案：C3.原料氣二次脫硫的目標(biāo)是將H?S含量降至（）以下，防止催化劑中毒。A.1ppmB.0.1ppmC.10ppmD.5ppm答案：B4.氨合成塔的操作壓力通常為（）。A.1-5MPaB.10-15MPaC.15-30MPaD.30-40MPa答案：C5.合成氨反應(yīng)中，最適宜的氫氮比（H?:N?）為（）。A.1:1B.2:1C.3:1D.4:1答案：C6.以下哪種氣體不屬于合成氨原料氣的主要雜質(zhì)（）。A.COB.CO?C.CH?D.O?答案：D7.氨分離常用的方法是（）。A.水洗吸收B.低溫冷凝C.膜分離D.變壓吸附答案：B8.合成塔內(nèi)設(shè)置層間換熱器的主要目的是（）。A.提高反應(yīng)溫度B.回收反應(yīng)熱，維持催化劑床層溫度C.減少氣體流速D.增加氣體停留時(shí)間答案：B9.銅洗法脫除CO的主要反應(yīng)是（）。A.CO與CuO反應(yīng)生成Cu和CO?B.CO與醋酸銅氨溶液生成絡(luò)合物C.CO與H?反應(yīng)生成CH?D.CO與O?反應(yīng)生成CO?答案：B10.合成氨系統(tǒng)中，循環(huán)氣的主要作用是（）。A.提高原料氣利用率B.降低系統(tǒng)壓力C.減少催化劑消耗D.增加反應(yīng)速率答案：A二、填空題（每空1分，共20分）1.合成氨的原料氣主要通過煤制氣、天然氣制氣或重油制氣工藝制備，核心反應(yīng)為碳與水蒸氣反應(yīng)生成H?和CO（或烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化）。2.原料氣凈化包括脫硫、一氧化碳變換、脫碳和精脫四個(gè)步驟；其中，一氧化碳變換反應(yīng)式為CO+H?O?CO?+H?（催化劑為Fe-Cr或Cu-Zn系）。3.氨合成催化劑的活性組分是α-Fe，其制備過程需經(jīng)歷還原步驟（將Fe?O?還原為α-Fe）；催化劑中毒的主要原因是原料氣中含硫（S）、磷（P）、砷（As）等雜質(zhì)。4.合成塔的操作溫度一般控制在400-500℃（因催化劑活性溫度區(qū)間而定），壓力為15-30MPa；反應(yīng)熱通過層間換熱器或廢熱鍋爐回收，用于預(yù)熱原料氣或產(chǎn)生蒸汽。5.氨分離采用冷凝法（溫度降至-10~-20℃），分離后的循環(huán)氣需補(bǔ)充新鮮原料氣并排放部分惰性氣體（如Ar、CH?），以維持系統(tǒng)氫氮比穩(wěn)定。6.合成氨系統(tǒng)的安全控制重點(diǎn)包括防止超壓（設(shè)置安全閥、爆破片）、防止催化劑中毒（嚴(yán)格控制原料氣雜質(zhì)含量）、防止火災(zāi)爆炸（設(shè)備接地、可燃?xì)怏w檢測）。三、判斷題（每題2分，共10分。正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）1.合成氨反應(yīng)是吸熱、體積增大的可逆反應(yīng)，因此高壓有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)。（）答案：×（放熱、體積減?。?.原料氣一次脫硫后即可直接進(jìn)入合成塔，無需二次脫硫。（）答案：×（一次脫硫后H?S仍可能超標(biāo)，需二次精脫至0.1ppm以下）3.氨合成催化劑的活性隨使用時(shí)間延長而下降，需定期再生或更換。（）答案：√（催化劑會(huì)因燒結(jié)、中毒失活）4.循環(huán)氣中惰性氣體（Ar、CH?）含量越高，越有利于提高氨合成率。（）答案：×（惰性氣體會(huì)降低有效組分濃度，需定期排放）5.合成塔出口氨含量僅與反應(yīng)溫度有關(guān)，與壓力無關(guān)。（）答案：×（壓力升高可提高平衡氨含量）四、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述原料氣二次脫硫的必要性。答：原料氣經(jīng)一次脫硫（如濕法脫硫）后，H?S含量通常降至10-100ppm，但合成氨催化劑（如鐵基催化劑）對硫極為敏感，即使0.1ppm的硫也會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒失活。因此需通過二次脫硫（如干法脫硫，使用氧化鋅、活性炭或分子篩）將H?S進(jìn)一步脫除至0.1ppm以下，確保催化劑活性和系統(tǒng)長周期運(yùn)行。2.分析合成氨反應(yīng)中溫度、壓力對平衡氨含量的影響，并說明實(shí)際生產(chǎn)中選擇操作條件的依據(jù)。答：合成氨反應(yīng)（N?+3H??2NH?）為放熱（ΔH=-92.4kJ/mol）、體積減小的可逆反應(yīng)。-溫度：溫度升高，平衡向吸熱方向移動(dòng)（逆反應(yīng)），平衡氨含量降低；但溫度過低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率過慢。實(shí)際生產(chǎn)中選擇催化劑活性溫度區(qū)間（400-500℃），兼顧平衡和速率。-壓力：壓力升高，平衡向體積減小方向移動(dòng)（正反應(yīng)），平衡氨含量升高；但壓力過高會(huì)增加設(shè)備投資和能耗。實(shí)際操作壓力通常為15-30MPa（兼顧經(jīng)濟(jì)性和效率）。3.說明氨合成塔內(nèi)設(shè)置多層催化劑床層的原因。答：合成塔設(shè)置多層催化劑床層（一般3-4層）的主要原因：①控制反應(yīng)溫度：每層床層反應(yīng)放熱后，通過層間換熱器（或冷激氣）降溫，使下一層床層溫度維持在催化劑活性范圍內(nèi)，避免超溫失活。②提高反應(yīng)效率：分段反應(yīng)可接近“最適宜溫度曲線”，最大化氨合成率。③延長催化劑壽命：避免局部高溫導(dǎo)致催化劑燒結(jié)，延長使用壽命。4.簡述循環(huán)氣中惰性氣體的來源及控制方法。答：惰性氣體（Ar、CH?）主要來源于原料氣（如煤制氣中的Ar，天然氣中的CH?未完全轉(zhuǎn)化）。控制方法：①定期排放部分循環(huán)氣（弛放氣），降低惰性氣體累積；②回收弛放氣中的H?、N?（如膜分離、深冷分離），減少原料氣損失；③優(yōu)化原料氣制備工藝，降低初始惰性氣體含量（如天然氣轉(zhuǎn)化時(shí)提高CH?轉(zhuǎn)化率）。5.列舉合成氨裝置的主要安全風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)防措施。答：主要安全風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)防措施：①高壓爆炸：合成塔、管道等處于高壓（15-30MPa），超壓可能導(dǎo)致設(shè)備破裂。預(yù)防措施：設(shè)置安全閥、爆破片，定期校驗(yàn)壓力儀表，監(jiān)控系統(tǒng)壓力。②可燃?xì)怏w泄漏（H?、NH?）：H?易燃（爆炸極限4%-75%），NH?有毒（濃度＞300ppm可致死）。預(yù)防措施：設(shè)備密封檢測（如肥皂水試漏）、安裝可燃/有毒氣體報(bào)警器，作業(yè)區(qū)通風(fēng)良好。③催化劑中毒：原料氣中硫、磷等雜質(zhì)導(dǎo)致催化劑失活。預(yù)防措施：嚴(yán)格控制原料氣凈化指標(biāo)（H?S＜0.1ppm），設(shè)置在線硫含量監(jiān)測儀。④高溫燙傷：合成塔、換熱器表面溫度高（＞400℃）。預(yù)防措施：設(shè)備保溫，操作時(shí)佩戴防護(hù)裝備（隔熱手套、面罩）。五、計(jì)算題（10分）已知某合成氨裝置中，進(jìn)入合成塔的新鮮原料氣組成為（體積分?jǐn)?shù)）：H?=74%，N?=24.6%，Ar=1.4%。循環(huán)氣與新鮮氣的比例為4:1（體積比），假設(shè)反應(yīng)后氨的轉(zhuǎn)化率（以N?計(jì)）為15%，忽略氣體溶解損失，計(jì)算合成塔出口氣體中NH?的體積分?jǐn)?shù)。解答步驟：1.計(jì)算混合氣體（新鮮氣+循環(huán)氣）的組成：設(shè)新鮮氣流量為1m3，則循環(huán)氣流量為4m3，總進(jìn)氣量=5m3。新鮮氣中各組分體積：H?=0.74m3，N?=0.246m3，Ar=0.014m3。循環(huán)氣假設(shè)為反應(yīng)后的氣體（無NH?，因氨已分離），則循環(huán)氣組成為H?、N?、Ar（惰性氣不參與反應(yīng)）。設(shè)循環(huán)氣中H?=a，N?=b，Ar=c，且a+b+c=1（體積分?jǐn)?shù)）。2.反應(yīng)前總進(jìn)氣中各組分總量（以N?為基準(zhǔn)）：總N?量=新鮮氣N?+循環(huán)氣N?=0.246+4b?？侶?量=0.74+4a（H?:N?=3:1，故a=3b）。總Ar量=0.014+4c（c=Ar含量，因Ar不反應(yīng)，循環(huán)氣中Ar含量與新鮮氣中Ar的累積有關(guān)，但簡化計(jì)算時(shí)假設(shè)循環(huán)氣中Ar含量與系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)相同，即Ar總量=0.014×5=0.07m3，故c=0.07/4=0.0175）。3.反應(yīng)轉(zhuǎn)化率（以N?計(jì)）為15%，即反應(yīng)的N?量=0.15×總N?量。反應(yīng)式：N?+3H?→2NH?反應(yīng)的N?量=ΔN?=0.15×(0.246+4b)反應(yīng)的H?量=3ΔN?=0.45×(0.246+4b)生成的NH?量=2ΔN?=0.3×(0.246+4b)4.出口氣體組成（體積）：N?剩余量=總N?量-ΔN?=0.85×(0.246+4b)H?剩余量=總H?量-3ΔN?=0.74+4a-0.45×(0.246+4b)（因a=3b，代入得=0.74+12b-0.1107-1.8b=0.6293+10.2b）Ar量=0.07m3（不變）NH?量=0.3×(0.246+4b)5.系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，循環(huán)氣組成與出口氣體（分離氨后）組成相同（氨被分離），即循環(huán)氣中無NH?，且H?:N?=3:1（因反應(yīng)按3:1消耗H?和N?，平衡時(shí)循環(huán)氣H?:N?仍為3:1）。因此：剩余H?量/剩余N?量=3:1即(0.6293+10.2b)/[0.85×(0.246+4b)]=3解方程得：b≈0.0615，a=3b≈0.18456.計(jì)算NH?體積分?jǐn)?shù)：NH?量=0.3×(0.246+4×0.0615)=0.3×(0.246+0.