化学与工业生产（合成氨）试题

化学与工业生产（合成氨）试题一、合成氨工艺流程综合分析合成氨工业以氮气和氢气为原料，通过原料气制备、净化和氨合成三大核心步骤实现工业化生产。原料气制备阶段，天然气、煤炭或重油等原料经气化或蒸汽转化生成含H₂、N₂、CO及硫化物的粗原料气。以天然气为例，需经过加氢脱硫（Co-Mo/ZnO催化剂，400℃下将硫含量降至1μg/g以下）、一段蒸汽转化（Ni催化剂，800-840℃，残留CH₄7%-9%）和二段空气氧化（900-950℃，CH₄<0.3%），最终获得氢氮摩尔比3:1的混合气。净化过程通过变换反应与脱碳脱硫去除杂质：高温变换（Fe-Cr催化剂，450℃，CO降至3%）与低温变换（Cu-Zn催化剂，250℃，CO<0.3%）将CO转化为H₂和CO₂；活化碳酸钾溶液吸收CO₂（残留<0.2%），甲烷化反应（Ni催化剂，300℃）进一步脱除微量CO和CO₂至0.1ppm以下。净化后的原料气压缩至15-30MPa，进入合成塔在铁基催化剂作用下生成氨，产物经冷凝分离（-33.5℃液化）后，未反应气体循环使用，单程转化率约10%-15%。例题1：某合成氨厂以煤为原料，粗煤气中含H₂S2.5%（体积分数），需采用氧化锌脱硫。若处理气量为10000m³/h，ZnO脱硫剂硫容为25%（质量分数），计算每日更换脱硫剂的质量（H₂S密度按1.539kg/m³计）。答案：每日脱硫量=10000×2.5%×24×1.539=9234kg，脱硫剂用量=9234/25%=36936kg。二、催化剂性能与反应机理合成氨催化剂分为铁基与钌基两大类。铁基催化剂（Fe₃O₄为前驱体，含Al₂O₃、K₂O助剂）自1913年工业化以来占据主导地位，通过熔融法制备，还原后形成α-Fe活性相，适用温度350-510℃、压力15-32MPa。我国A301型亚铁催化剂采用Fe₁₋ₓO维氏体结构，还原温度降低30-50℃，氨净值提升至12-17%。钌基催化剂（Ru-K/石墨化碳载体）是第三代技术代表，KAAP工艺中其活性比铁基高2-3倍，单程转化率提升40%，能耗降低25%，但对硫中毒敏感（需原料气硫含量<0.01ppm）。反应机理遵循吸附-解离-结合路径：N₂在催化剂表面化学吸附（速率控制步骤），N≡N键断裂为N原子；H₂解离为活性H原子，逐步生成-NH、-NH₂中间体，最终脱附形成NH₃。微观层面，N₂与H₂分子个数比严格遵循1:3，反应中最小粒子为N和H原子（而非分子）。例题2：比较铁基与钌基催化剂的工业应用差异，从压力适应性、活性温度及成本三方面列表说明。|指标|铁基催化剂|钌基催化剂||--------------|------------------|------------------||操作压力|15-32MPa|8-15MPa||活性温度|400-500℃|300-400℃||成本（相对值）|1.0|8.5|三、工艺技术比较与优化工业合成氨工艺因原料与压力差异分为高压法（30MPa，传统流程）、中压法（15-20MPa，凯洛格工艺）和低压法（10MPa，AMV工艺）。凯洛格法采用卧式合成塔与废热锅炉联用，单系列产能达1500t/d，能耗约30GJ/tNH₃；AMV工艺通过径向流反应器与钌基催化剂，降低压力至10MPa，能耗降至28GJ/t，投资减少15%。联醇法（甲醇与氨联产）和联碱法（纯碱与氨联产）通过工艺耦合实现资源综合利用，例如联醇法在合成氨净化阶段插入甲醇合成单元（Cu-Zn-Al催化剂，220℃，5-10MPa），每吨氨可副产0.3吨甲醇。例题3：凯洛格工艺中，合成塔出口气含NH₃18%（摩尔分数），经水冷（30℃）和氨冷（-10℃）两级冷凝。已知30℃时NH₃饱和蒸气压11.66bar，-10℃时为2.09bar，计算两级冷凝的总氨回收率（系统操作压力15MPa）。答案：30℃冷凝：y₁=11.66/(150-11.66)=0.083，回收率=(0.18-0.083)/0.18=53.9%；-10℃冷凝：y₂=2.09/(150-2.09)=0.014，总回收率=1-(0.083×0.014)/0.18≈99.4%。四、安全环保与风险控制合成氨工艺具有高温高压（400-450℃，15-30MPa）和有毒易爆特性，需从设备、工艺和管理层面实施多重防护。设备安全方面，合成塔采用“外筒耐压+内件耐温”结构（外筒Q345R钢材，内件316L不锈钢），设置爆破片（爆破压力1.1倍工作压力）和安全阀（开启压力1.05倍工作压力）；工艺控制通过DCS系统实现温度、压力、氢氮比（3:1±0.05）联锁，过氧（O₂>0.5%）时自动切断原料气并放空。环保措施包括废气处理（氨吸收塔用硫酸喷淋，吸收率>99%）、废水零排放（膜分离回收氨，蒸发结晶处理盐渣）和余热回收（转化炉烟道气余热锅炉产4.0MPa蒸汽，吨氨回收热量1.2×10⁶kJ）。2025年国家电投大安绿氨项目采用“风光发电-电解水制氢-氨合成”路线，通过电-氢-化柔性控制消纳风光波动，年制绿氨18万吨，减碳65万吨/年，标志着合成氨低碳转型的重要突破。例题4：液氨储罐发生泄漏，形成半径50m的有毒云团（氨浓度2000ppm，LC₅₀=3000ppm·min）。若风速2m/s，判断下风向300m处人员暴露10分钟是否有生命危险（云团扩散系数取0.1m²/s）。答案：扩散时间t=300/2=150s，浓度C=2000×(50²×0.1)/(300²×150)=0.037ppm，暴露剂量=0.037×10=0.37ppm·min<3000，无危险。五、2025年技术进展与绿色转型绿氨技术成为行业焦点，通过可再生能源电解水制氢（PEM电解槽效率>75%）替代化石原料，实现“零碳氨”生产。日本东京大学开发的光驱动合成氨体系（铱基光敏剂+钼催化剂）在常温常压下利用N₂和H₂O直接合成氨，光能转化效率达0.12%，较传统工艺能耗降低90%。我国研发的纳米铁催化剂（粒径5-10nm）通过高比表面积（80m²/g）和稀土助剂（La₂O₃）改性，活性提升2-7倍，单程转化率突破20%。数字化转型方面，AI优化系统（如AspenHYSYS®）通过实时调整循环气流量（30000-50000m³/h）和合成塔入口温度（420-480℃），使吨氨电耗降至1200kWh；数字孪生技术实现设备剩余寿命预测（误差<5%），非计划停机减少30%。欧盟“氨能旗舰计划”推动氨燃料船舶应用，2025年首艘20000吨级氨动力货船试航，发动机热效率达45%，NOₓ排放较柴油降低80%。例题5：某绿氨项目配套100MW光伏电站（年发电量1.6×10⁸kWh），电解槽能耗55kWh/Nm³H₂，合成氨电耗1400kWh/t。计算该项目年绿氨产量（H₂利用率按95%计，N₂:H₂=1:3，标况下H₂密度0.0899kg/m³）。答案：年产H₂=1.6×10⁸/(55×0.0899)×95%≈3.08×10⁷kg，氨产量=3.08×10⁷×(17/3×2)≈8.73×10⁷kg=8.73万吨。六、综合应用题例题6：某30万吨/年合成氨装置采用德士古水煤浆气化工艺，原料煤含碳75%，气化效率98%，碳转化率95%，计算：（1）每日需消耗煤量（假设生成合成气中CO+H₂=85%，N₂由空分提供，H₂:N₂=3:1）；（2）若改用绿氨工艺，配套风电上网电价0.3元/kWh，电解槽投资3000元/kW，计算吨氨成本中电费占比（电解能耗50kWh/Nm³H₂，合成电耗1200kWh/t，设备折旧按10年计，年利用率3000小时）。答案：（1）每日氨产量=30×10⁴/365≈821.9t，需H₂=821.9×10³×(3×2)/(2×17)≈144794kg，煤耗=144794/(0.