2025年合成氨工艺考试资料含答案

2025年合成氨工艺考试资料含答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.合成氨反应的主反应式为（）。A.N₂+3H₂→2NH₃（高温高压，催化剂）B.N₂+3H₂⇌2NH₃（ΔH=-92.4kJ/mol）C.N₂+2H₂→2NH₂（放热反应）D.N₂+4H₂⇌2NH₃+H₂（可逆反应）答案：B2.合成氨工艺中，铁基催化剂的主要活性成分是（）。A.FeOB.Fe₂O₃C.Fe₃O₄（还原后为α-Fe）D.FeS答案：C3.原料气二次脱硫的目标是将H₂S含量降至（）以下，防止催化剂中毒。A.1ppmB.0.1ppmC.10ppmD.5ppm答案：B4.氨合成塔的操作压力通常为（）。A.1-5MPaB.10-15MPaC.15-30MPaD.30-40MPa答案：C5.合成氨反应中，最适宜的氢氮比（H₂:N₂）为（）。A.1:1B.2:1C.3:1D.4:1答案：C6.以下哪种气体不属于合成氨原料气的主要杂质（）。A.COB.CO₂C.CH₄D.O₂答案：D7.氨分离常用的方法是（）。A.水洗吸收B.低温冷凝C.膜分离D.变压吸附答案：B8.合成塔内设置层间换热器的主要目的是（）。A.提高反应温度B.回收反应热，维持催化剂床层温度C.减少气体流速D.增加气体停留时间答案：B9.铜洗法脱除CO的主要反应是（）。A.CO与CuO反应生成Cu和CO₂B.CO与醋酸铜氨溶液生成络合物C.CO与H₂反应生成CH₄D.CO与O₂反应生成CO₂答案：B10.合成氨系统中，循环气的主要作用是（）。A.提高原料气利用率B.降低系统压力C.减少催化剂消耗D.增加反应速率答案：A二、填空题（每空1分，共20分）1.合成氨的原料气主要通过煤制气、天然气制气或重油制气工艺制备，核心反应为碳与水蒸气反应生成H₂和CO（或烃类水蒸气转化）。2.原料气净化包括脱硫、一氧化碳变换、脱碳和精脱四个步骤；其中，一氧化碳变换反应式为CO+H₂O⇌CO₂+H₂（催化剂为Fe-Cr或Cu-Zn系）。3.氨合成催化剂的活性组分是α-Fe，其制备过程需经历还原步骤（将Fe₃O₄还原为α-Fe）；催化剂中毒的主要原因是原料气中含硫（S）、磷（P）、砷（As）等杂质。4.合成塔的操作温度一般控制在400-500℃（因催化剂活性温度区间而定），压力为15-30MPa；反应热通过层间换热器或废热锅炉回收，用于预热原料气或产生蒸汽。5.氨分离采用冷凝法（温度降至-10~-20℃），分离后的循环气需补充新鲜原料气并排放部分惰性气体（如Ar、CH₄），以维持系统氢氮比稳定。6.合成氨系统的安全控制重点包括防止超压（设置安全阀、爆破片）、防止催化剂中毒（严格控制原料气杂质含量）、防止火灾爆炸（设备接地、可燃气体检测）。三、判断题（每题2分，共10分。正确打“√”，错误打“×”）1.合成氨反应是吸热、体积增大的可逆反应，因此高压有利于平衡向生成氨的方向移动。（）答案：×（放热、体积减小）2.原料气一次脱硫后即可直接进入合成塔，无需二次脱硫。（）答案：×（一次脱硫后H₂S仍可能超标，需二次精脱至0.1ppm以下）3.氨合成催化剂的活性随使用时间延长而下降，需定期再生或更换。（）答案：√（催化剂会因烧结、中毒失活）4.循环气中惰性气体（Ar、CH₄）含量越高，越有利于提高氨合成率。（）答案：×（惰性气体会降低有效组分浓度，需定期排放）5.合成塔出口氨含量仅与反应温度有关，与压力无关。（）答案：×（压力升高可提高平衡氨含量）四、简答题（每题8分，共40分）1.简述原料气二次脱硫的必要性。答：原料气经一次脱硫（如湿法脱硫）后，H₂S含量通常降至10-100ppm，但合成氨催化剂（如铁基催化剂）对硫极为敏感，即使0.1ppm的硫也会导致催化剂中毒失活。因此需通过二次脱硫（如干法脱硫，使用氧化锌、活性炭或分子筛）将H₂S进一步脱除至0.1ppm以下，确保催化剂活性和系统长周期运行。2.分析合成氨反应中温度、压力对平衡氨含量的影响，并说明实际生产中选择操作条件的依据。答：合成氨反应（N₂+3H₂⇌2NH₃）为放热（ΔH=-92.4kJ/mol）、体积减小的可逆反应。-温度：温度升高，平衡向吸热方向移动（逆反应），平衡氨含量降低；但温度过低会导致反应速率过慢。实际生产中选择催化剂活性温度区间（400-500℃），兼顾平衡和速率。-压力：压力升高，平衡向体积减小方向移动（正反应），平衡氨含量升高；但压力过高会增加设备投资和能耗。实际操作压力通常为15-30MPa（兼顾经济性和效率）。3.说明氨合成塔内设置多层催化剂床层的原因。答：合成塔设置多层催化剂床层（一般3-4层）的主要原因：①控制反应温度：每层床层反应放热后，通过层间换热器（或冷激气）降温，使下一层床层温度维持在催化剂活性范围内，避免超温失活。②提高反应效率：分段反应可接近“最适宜温度曲线”，最大化氨合成率。③延长催化剂寿命：避免局部高温导致催化剂烧结，延长使用寿命。4.简述循环气中惰性气体的来源及控制方法。答：惰性气体（Ar、CH₄）主要来源于原料气（如煤制气中的Ar，天然气中的CH₄未完全转化）。控制方法：①定期排放部分循环气（弛放气），降低惰性气体累积；②回收弛放气中的H₂、N₂（如膜分离、深冷分离），减少原料气损失；③优化原料气制备工艺，降低初始惰性气体含量（如天然气转化时提高CH₄转化率）。5.列举合成氨装置的主要安全风险及预防措施。答：主要安全风险及预防措施：①高压爆炸：合成塔、管道等处于高压（15-30MPa），超压可能导致设备破裂。预防措施：设置安全阀、爆破片，定期校验压力仪表，监控系统压力。②可燃气体泄漏（H₂、NH₃）：H₂易燃（爆炸极限4%-75%），NH₃有毒（浓度＞300ppm可致死）。预防措施：设备密封检测（如肥皂水试漏）、安装可燃/有毒气体报警器，作业区通风良好。③催化剂中毒：原料气中硫、磷等杂质导致催化剂失活。预防措施：严格控制原料气净化指标（H₂S＜0.1ppm），设置在线硫含量监测仪。④高温烫伤：合成塔、换热器表面温度高（＞400℃）。预防措施：设备保温，操作时佩戴防护装备（隔热手套、面罩）。五、计算题（10分）已知某合成氨装置中，进入合成塔的新鲜原料气组成为（体积分数）：H₂=74%，N₂=24.6%，Ar=1.4%。循环气与新鲜气的比例为4:1（体积比），假设反应后氨的转化率（以N₂计）为15%，忽略气体溶解损失，计算合成塔出口气体中NH₃的体积分数。解答步骤：1.计算混合气体（新鲜气+循环气）的组成：设新鲜气流量为1m³，则循环气流量为4m³，总进气量=5m³。新鲜气中各组分体积：H₂=0.74m³，N₂=0.246m³，Ar=0.014m³。循环气假设为反应后的气体（无NH₃，因氨已分离），则循环气组成为H₂、N₂、Ar（惰性气不参与反应）。设循环气中H₂=a，N₂=b，Ar=c，且a+b+c=1（体积分数）。2.反应前总进气中各组分总量（以N₂为基准）：总N₂量=新鲜气N₂+循环气N₂=0.246+4b。总H₂量=0.74+4a（H₂:N₂=3:1，故a=3b）。总Ar量=0.014+4c（c=Ar含量，因Ar不反应，循环气中Ar含量与新鲜气中Ar的累积有关，但简化计算时假设循环气中Ar含量与系统稳定时相同，即Ar总量=0.014×5=0.07m³，故c=0.07/4=0.0175）。3.反应转化率（以N₂计）为15%，即反应的N₂量=0.15×总N₂量。反应式：N₂+3H₂→2NH₃反应的N₂量=ΔN₂=0.15×(0.246+4b)反应的H₂量=3ΔN₂=0.45×(0.246+4b)生成的NH₃量=2ΔN₂=0.3×(0.246+4b)4.出口气体组成（体积）：N₂剩余量=总N₂量-ΔN₂=0.85×(0.246+4b)H₂剩余量=总H₂量-3ΔN₂=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（不变）NH₃量=0.3×(0.246+4b)5.系统稳定时，循环气组成与出口气体（分离氨后）组成相同（氨被分离），即循环气中无NH₃，且H₂:N₂=3:1（因反应按3:1消耗H₂和N₂，平衡时循环气H₂:N₂仍为3:1）。因此：剩余H₂量/剩余N₂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.计算NH₃体积分数：NH₃量=0.3×(0.246+4×0.0615)=0.3×(0.246+0.