【2025年】合成氨工藝試題及答案一、單項選擇題（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?ΔH=-92.4kJ/molB.N?+2H??2NH?ΔH=-82.4kJ/molC.N?+3H??2NH?ΔH=+92.4kJ/molD.N?+4H??2NH?ΔH=-102.4kJ/mol2.目前工業(yè)合成氨常用的鐵基催化劑活性成分主要是（）A.Fe?O?B.α-FeC.Fe?O?D.FeO3.合成氨工藝中，選擇中壓法（15-30MPa）的主要原因是（）A.平衡轉(zhuǎn)化率最高B.設(shè)備投資最低C.反應(yīng)速率與經(jīng)濟性的平衡D.對原料氣純度要求最低4.原料氣凈化過程中，甲烷化反應(yīng)的主要目的是（）A.脫除CO和CO?B.提高H?含量C.降低惰性氣體含量D.減少硫含量5.合成氨系統(tǒng)中，循環(huán)氣中惰性氣體（Ar、CH?）含量過高會導(dǎo)致（）A.反應(yīng)速率加快B.氨合成率下降C.催化劑活性提高D.系統(tǒng)壓力降低6.液氨分離通常采用的方法是（）A.降溫冷凝+氣液分離B.加壓蒸餾C.吸附分離D.膜分離7.煤氣化制合成氣時，采用富氧空氣的主要目的是（）A.提高煤氣化溫度B.減少N?帶入量C.降低氧氣消耗D.增加CO?提供量8.合成塔內(nèi)件設(shè)計中，采用多段間接換熱式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是（）A.提高催化劑裝填量B.精準控制反應(yīng)溫度C.降低系統(tǒng)阻力D.增加氣體停留時間9.脫硫工藝中，ADA法（蒽醌二磺酸鈉法）屬于（）A.干法脫硫B.濕法氧化脫硫C.物理吸收脫硫D.化學吸附脫硫10.合成氨裝置緊急停車時，首先應(yīng)采取的措施是（）A.切斷原料氣供應(yīng)B.開啟馳放氣閥C.降低合成塔溫度D.啟動氨回收系統(tǒng)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)的方程式為________，該反應(yīng)為________（放熱/吸熱）反應(yīng)，工業(yè)上通常采用________（高/低）溫變換串________（高/低）溫變換工藝提高H?收率。3.脫碳工藝中，MDEA（N-甲基二乙醇胺）法屬于________（物理/化學）吸收法，其優(yōu)勢是________和________。4.合成氨催化劑的主要助催化劑包括________（至少寫兩種），其作用是________。5.合成塔操作溫度通?？刂圃赺_______℃，溫度過低會導(dǎo)致________，溫度過高會________。6.循環(huán)氣中氫氮比（H?/N?）理論值為________，實際控制在________以提高反應(yīng)速率。7.液氨貯槽的壓力主要由________決定，夏季需注意________以防止超壓。8.合成氨裝置的主要能耗環(huán)節(jié)包括________、________和________（任寫三個）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述原料氣凈化過程中“脫硫-變換-脫碳-精制”的工藝邏輯及各步驟目的。2.比較中壓法（20MPa）與低壓法（10MPa）合成氨工藝的優(yōu)缺點。3.分析合成氨催化劑暫時性中毒與永久性中毒的區(qū)別，列舉兩種常見中毒物質(zhì)并說明預(yù)防措施。4.說明合成塔內(nèi)設(shè)置測溫點的意義，若發(fā)現(xiàn)某段催化劑層溫度驟降可能的原因及處理方法。5.從熱力學和動力學角度解釋合成氨反應(yīng)為何需要高壓條件。四、計算題（每題10分，共20分）1.某合成氨裝置原料氣組成（體積%）：H?68%，N?22%，CO1.5%，CO?1.0%，CH?3.5%，Ar4.0%。經(jīng)甲烷化處理后，CO和CO?總含量降至10ppm（體積）。計算甲烷化后循環(huán)氣中H?/N?比例是否符合理論要求（假設(shè)甲烷化反應(yīng)：CO+3H?=CH?+H?O，CO?+4H?=CH?+2H?O，忽略水蒸汽影響）。2.已知合成塔入口氣體中氨含量為3.5%（體積），出口氨含量為18.0%，循環(huán)氣流量為150000Nm3/h，新鮮氣流量為25000Nm3/h，計算合成塔的氨凈值及循環(huán)比（循環(huán)比=循環(huán)氣流量/新鮮氣流量）。五、綜合分析題（每題15分，共30分）1.某合成氨裝置運行中出現(xiàn)合成塔壓力持續(xù)上升、氨產(chǎn)量下降的現(xiàn)象，結(jié)合工藝流程圖分析可能的原因（至少列出5項）及對應(yīng)的排查方法。2.針對“雙碳”目標，提出合成氨工藝的節(jié)能減碳改造方案（至少包括原料優(yōu)化、工藝改進、余熱利用三個方面），并說明各方案的技術(shù)原理及預(yù)期效果。答案一、單項選擇題1.A2.B3.C4.A5.B6.A7.B8.B9.B10.A二、填空題1.煤氣化（煤制氣）、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化、重油部分氧化（或焦爐氣轉(zhuǎn)化）2.CO+H?O?CO?+H?；放熱；高；低3.化學；選擇性好（只吸收CO?）、能耗低（再生熱?。?.Al?O?、K?O、CaO（任選兩種）；改善催化劑結(jié)構(gòu)（如增加比表面積）、提高活性和抗毒能力5.400-500；反應(yīng)速率過慢；催化劑燒結(jié)失活（或平衡轉(zhuǎn)化率下降）6.3:1；2.8-3.2（或2.5-3.0）7.液氨溫度；降溫（或噴淋水冷卻）8.原料氣壓縮（或合成氣壓縮）、氣體凈化（如脫碳再生）、合成反應(yīng)（或氨分離）三、簡答題1.工藝邏輯：先脫除對變換催化劑有毒的硫（硫會使鐵系變換催化劑中毒）→通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為H?（提高H?產(chǎn)量）→脫除大量CO?（減少后續(xù)精制負荷）→深度精制（脫除殘余CO、CO?，防止合成催化劑中毒）。各步驟目的：脫硫（保護變換催化劑）；變換（增產(chǎn)H?）；脫碳（降低CO?含量）；精制（確保合成氣中CO+CO?＜10ppm，保護氨合成催化劑）。2.中壓法優(yōu)點：反應(yīng)速率較快（壓力高，分子碰撞頻率高）、單程轉(zhuǎn)化率較高（高壓利于平衡右移）、設(shè)備尺寸相對較?。ㄏ嗤幚砹肯拢?；缺點：設(shè)備投資較高（高壓設(shè)備制造要求高）、能耗較高（壓縮功大）。低壓法優(yōu)點：設(shè)備投資低（對材質(zhì)要求低）、能耗較低（壓縮功?。?；缺點：反應(yīng)速率較慢（需更大催化劑裝填量）、單程轉(zhuǎn)化率低（需更高循環(huán)比，增加循環(huán)功耗）。3.區(qū)別：暫時性中毒（可逆中毒）是毒物與催化劑活性中心弱結(jié)合，可通過再生（如升溫、還原）恢復(fù)活性；永久性中毒（不可逆中毒）是毒物與活性中心強結(jié)合（如形成穩(wěn)定化合物），無法再生。常見中毒物質(zhì)：硫（H?S）→永久性中毒（與α-Fe提供FeS）；氧（O?）→暫時性中毒（氧化Fe為FeO/Fe?O?，可通過還原再生）。預(yù)防措施：嚴格控制原料氣硫含量（脫硫精度＜0.1ppm）；避免空氣漏入系統(tǒng)（如設(shè)備密封）；設(shè)置在線氣體分析儀監(jiān)測毒物含量。4.測溫點意義：監(jiān)測催化劑層溫度分布，判斷反應(yīng)進行程度（溫度分布反映反應(yīng)熱釋放）、催化劑活性（熱點溫度位置變化）、是否存在偏流（各點溫差過大）。溫度驟降可能原因：原料氣流量突增（稀釋反應(yīng)熱）、原料氣中毒物含量升高（催化劑失活，反應(yīng)放熱減少）、冷激氣閥門誤開（引入低溫氣體）、測溫點故障。處理方法：檢查原料氣流量及組成（尤其是硫、氧含量）；關(guān)小冷激氣閥門；確認測溫儀表是否正常；若催化劑中毒，需切除毒物來源并進行還原再生。5.熱力學角度：合成氨反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)（1molN?+3molH?→2molNH?），高壓可使平衡向正方向移動，提高平衡轉(zhuǎn)化率；動力學角度：高壓下氣體分子濃度增加，反應(yīng)速率常數(shù)增大（根據(jù)質(zhì)量作用定律，速率與各組分分壓的冪次方成正比），可加快反應(yīng)速度。因此高壓既利于提高平衡轉(zhuǎn)化率，又能提升反應(yīng)速率，是綜合熱力學與動力學的最優(yōu)選擇。四、計算題1.原始氣體中CO=1.5%，CO?=1.0%。甲烷化反應(yīng)消耗H?量：CO消耗H?：1.5%×3=4.5%CO?消耗H?：1.0%×4=4.0%總消耗H?=4.5%+4.0%=8.5%甲烷化后H?含量=68%-8.5%=59.5%N?含量保持22%（不參與甲烷化）H?/N?=59.5%/22%≈2.70（理論值為3:1），略低于理論值，需適當調(diào)整原料氣組成（如增加N?或減少H?）。2.氨凈值=出口氨含量-入口氨含量=18.0%-3.5%=14.5%循環(huán)比=循環(huán)氣流量/新鮮氣流量=150000/25000=6:1五、綜合分析題1.可能原因及排查方法：（1）合成塔催化劑活性下降：排查原料氣中硫、氧含量（是否超標導(dǎo)致中毒）；檢測催化劑層熱點溫度（是否降低）；分析出口氨含量（是否低于設(shè)計值）。（2）循環(huán)氣中惰性氣體（CH?、Ar）積累：檢查馳放氣流量（是否過?。环治鲅h(huán)氣組成（CH?+Ar是否超過15%）；確認馳放氣閥是否正常。（3）氨分離效率下降：檢查氨冷器溫度（是否高于設(shè)計值，導(dǎo)致液氨未完全冷凝）；查看氣液分離器液位（是否過高，液體夾帶）；檢測循環(huán)氣中氨含量（是否高于正常值）。（4）合成氣壓縮機故障：檢查壓縮機出口壓力（是否低于額定值）；監(jiān)測壓縮機電耗（是否異常升高）；查看缸體溫度（是否局部過熱）。（5）系統(tǒng)泄漏：用肥皂水檢查法蘭、閥門連接處（是否有氣泡）；監(jiān)測系統(tǒng)總壓力與各段壓差（是否異常下降）；分析弛放氣流量與組成（是否含空氣成分）。2.節(jié)能減碳改造方案：（1）原料優(yōu)化：采用綠氫（風電/光伏電解水制H?）與工業(yè)副產(chǎn)氮（如空分裝置尾氣）合成氨。技術(shù)原理：綠氫替代傳統(tǒng)化石燃料制氫，從源頭減少CO?排放（電解水制氫無直接排放，電力來自可再生能源）。預(yù)期效果：原料環(huán)節(jié)CO?排放降低80%以上。（2）工藝改進：采用低壓合成工藝（8-12MPa）+新型釕基催化劑（活性比鐵基高2-3倍）