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30分）1.合成氨反应的主反应方程式为（）A.N₂+3H₂⇌2NH₃ΔH=-92.4kJ/molB.N₂+2H₂⇌2NH₂ΔH=+92.4kJ/molC.N₂+4H₂⇌2NH₃+H₂ΔH=-120kJ/molD.2N₂+3H₂⇌2NH₃+N₂ΔH=+50kJ/mol答案：A2.工业合成氨常用的铁基催化剂中，活性成分是（）A.Fe₃O₄B.α-FeC.Fe₂O₃D.FeO答案：B3.合成氨工艺中，原料气净化时，一氧化碳变换反应的主要目的是（）A.提高氢气含量B.降低氮气含量C.去除硫化物D.减少二氧化碳答案：A4.合成氨反应的最佳操作温度范围通常为（）A.200-300℃B.300-400℃C.400-500℃D.500-600℃答案：C5.合成氨系统中，氢氮比（H₂:N₂）控制的最佳理论值为（）A.1:1B.2:1C.3:1D.4:1答案：C6.合成氨装置中，氨分离的主要方法是（）A.膜分离法B.冷冻冷凝法C.变压吸附法D.化学吸收法答案：B7.原料气中硫含量过高会导致（）A.催化剂活性下降B.反应速率加快C.氨产量增加D.设备腐蚀减缓答案：A8.合成氨系统驰放气的主要成分是（）A.NH₃、H₂OB.H₂、N₂、Ar、CH₄C.CO、CO₂D.O₂、H₂S答案：B9.合成氨塔的轴向反应器与径向反应器相比，主要优势是（）A.气体流速快B.床层压降小C.催化剂装填量少D.操作温度低答案：B10.合成氨工艺中，液氨的临界温度约为（）A.132.4℃B.232.4℃C.332.4℃D.432.4℃答案：A11.下列哪种物质不属于合成氨催化剂的永久性毒物（）A.H₂SB.PH₃C.O₂D.Ar答案：D12.合成氨系统中，循环气的作用是（）A.提高原料气利用率B.降低反应压力C.减少催化剂用量D.增加反应温度答案：A13.合成氨工艺中，二氧化碳脱除常用的方法是（）A.低温甲醇洗B.活性炭吸附C.分子筛干燥D.电除尘答案：A14.合成氨反应达到平衡时，增大压力会（）A.平衡逆向移动B.平衡正向移动C.平衡不移动D.反应速率降低答案：B15.合成氨装置中，废热锅炉的主要作用是（）A.储存余热B.产生高压蒸汽C.降低反应温度D.净化原料气答案：B二、填空题（每空1分，共20分）1.合成氨反应的热力学特征是______（填“吸热”或“放热”）、______（填“体积增大”或“体积减小”）的可逆反应。答案：放热；体积减小2.铁基合成氨催化剂的主要载体是______，常用的促进剂包括______（至少填两种）。答案：Al₂O₃；K₂O、CaO、MgO3.原料气净化过程中，脱硫分为______（脱除有机硫）和______（脱除无机硫）两步。答案：转化；吸收4.合成氨系统中，新鲜气与循环气的比例称为______，其值通常控制在______左右。答案：循环比；3-55.氨合成塔的操作压力可分为高压（>30MPa）、中压（15-30MPa）和低压（<15MPa），目前工业主流采用______压力等级。答案：中压6.合成氨反应的平衡氨浓度随压力______（填“升高”或“降低”）而增大，随温度______（填“升高”或“降低”）而减小。答案：升高；升高7.液氨储存时需控制温度低于______，防止液氨汽化导致压力升高。答案：临界温度（132.4℃）8.合成氨工艺中，一氧化碳的精脱方法包括______（如铜氨液洗涤）和______（如甲烷化法）。答案：化学吸收法；催化转化法9.驰放气回收的常用技术有______（回收氢气）和______（生产甲醇或尿素）。答案：膜分离；综合利用10.合成氨装置的安全联锁系统（SIS）主要监测______、______和______等参数，防止超温、超压事故。答案：温度；压力；气体成分三、简答题（每题6分，共30分）1.简述合成氨原料气净化的必要性及主要步骤。答案：原料气净化的必要性：原料气（来自造气工段）中含有H₂S、CO、CO₂、O₂等杂质，其中H₂S、PH₃等会导致催化剂永久性中毒；CO、CO₂、O₂会导致催化剂暂时性中毒（覆盖活性位点），降低催化效率；同时，CO₂会与氨反应生成氨基甲酸铵，堵塞管道。主要步骤：①脱硫（先转化有机硫为H₂S，再用氧化锌或胺液吸收）；②一氧化碳变换（将CO与H₂O反应生成CO₂和H₂，提高H₂含量）；③脱碳（用低温甲醇洗或MDEA溶液脱除CO₂）；④精脱（用铜氨液洗涤或甲烷化法将残余CO、CO₂降至≤10ppm）。2.分析氢氮比偏离3:1对合成氨反应的影响。答案：氢氮比（H₂:N₂）是影响合成氨反应的关键参数。理论上，反应式N₂+3H₂⇌2NH₃的化学计量比为3:1，此时反应速率和平衡氨浓度最高。若氢氮比高于3:1（H₂过量），会导致N₂浓度降低，反应速率下降；同时，过量H₂会稀释N₂，降低有效碰撞概率。若氢氮比低于3:1（N₂过量），H₂浓度不足，反应速率同样下降；且过量N₂会增加循环气中惰性气体（如Ar）的积累，降低氨净值。实际生产中，氢氮比通常控制在2.8-3.2之间，以平衡反应速率和催化剂活性。3.比较传统铁基催化剂与新型钌基催化剂的优缺点。答案：铁基催化剂（如A110型）：优点是成本低（原料为磁铁矿）、活性稳定、抗毒性较好；缺点是起活温度高（需400℃以上）、操作压力高（15-30MPa）、氨净值较低（约10-15%）。钌基催化剂（如以活性炭为载体的Ru基催化剂）：优点是低温活性好（可在300-400℃下运行）、操作压力低（5-15MPa）、氨净值高（18-22%）；缺点是成本高（钌为贵金属）、抗硫性差（需更严格的原料气净化）、载体易积碳失活。4.说明合成氨系统中驰放气产生的原因及处理方法。答案：驰放气产生原因：合成氨反应为可逆反应，循环气中未反应的H₂、N₂会循环使用，但原料气中带入的惰性气体（如Ar、CH₄）无法参与反应，会在系统中不断积累，导致循环气密度增大、氨净值下降。为维持系统稳定，需定期排放部分循环气（即驰放气）。处理方法：①膜分离法：利用氢气优先透过膜的特性，回收H₂返回系统；②深冷分离法：通过低温液化分离H₂、N₂（返回）和Ar、CH₄（作为燃料）；③综合利用：将驰放气作为合成甲醇、尿素的原料，或直接燃烧供热。5.简述合成氨装置的节能优化措施。答案：①采用低压合成工艺（如钌基催化剂），降低压缩功耗；②优化热交换网络，利用反应余热预热原料气或产生蒸汽（如废热锅炉回收合成塔出口热量）；③提高氨分离效率（如采用高效冷凝塔），减少循环气量；④回收驰放气中的H₂（膜分离或变压吸附），降低原料气消耗；⑤应用智能化控制系统（如DCS/PLC），实时优化氢氮比、温度、压力等参数，减少波动损失；⑥采用新型催化剂（如纳米级铁基催化剂），提高活性和氨净值，降低循环能耗。四、计算题（共20分）1.（8分）某合成氨装置新鲜气组成为：H₂74%、N₂24%、Ar1%、CH₄1%（体积分数），循环气中Ar含量控制为15%（体积分数）。计算驰放气流量与新鲜气流量的比值（假设系统无泄漏，惰性气体仅通过驰放气排出）。解：设新鲜气流量为F（Nm³/h），驰放气流量为P（Nm³/h）。新鲜气中惰性气体（Ar+CH₄）含量=1%+1%=2%，总惰性气体输入速率=2%×F。循环气中惰性气体含量=15%，则驰放气中惰性气体含量=15%（假设循环气与驰放气组成相同）。系统稳定时，惰性气体输入速率=输出速率（仅通过驰放气排出），即：2%×F=15%×P解得：P/F=2%/15%=0.133（即1:7.5）。答案：驰放气流量与新鲜气流量的比值为0.133（或1:7.5）。2.（6分）已知合成氨反应N₂+3H₂⇌2NH₃的ΔH=-92.4kJ/mol（25℃），若某次反应中消耗了1000mol的N₂，假设反应进度为90%，计算反应释放的热量。解：反应进度ξ=消耗的N₂物质的量/化学计量数=1000mol×90%/1=900mol。总放热量Q=ξ×|ΔH|=900mol×92.4kJ/mol=83160kJ。答案：反应释放的热量为83160kJ。3.（6分）某合成塔入口气体组成为：