(2025年)合成氨工艺考试(有答案)

(2025年)合成氨工艺考试(有答案)一、单项选择题（每题2分，共30分）1.合成氨工业中，原料气制备的核心反应是（）A.煤的干馏B.烃类水蒸气转化C.石油裂解D.电解水制氢2.合成氨反应的最佳操作压力范围通常为（）A.1-5MPaB.10-30MPaC.50-80MPaD.100MPa以上3.下列哪项不是合成氨原料气净化的主要目的（）A.去除硫、磷等催化剂毒物B.调整氢氮比C.降低气体湿度D.脱除二氧化碳4.铁基合成氨催化剂的主要活性成分是（）A.Fe₃O₄B.α-FeC.Fe₂O₃D.FeO5.变换反应（CO+H₂O→CO₂+H₂）的最佳温度控制依据是（）A.热力学平衡B.催化剂活性温度C.气体流量D.设备材质6.低温甲醇洗法脱碳的优势在于（）A.操作温度高B.溶剂再生能耗低C.对H₂S无吸收能力D.适用于低浓度CO₂7.合成氨工序中，氨分离的主要方法是（）A.水洗吸收B.活性炭吸附C.冷凝分离D.膜分离8.下列哪项会导致合成氨催化剂永久性中毒（）A.短暂超温B.少量水蒸气C.硫化氢气体D.二氧化碳9.氢氮比（H₂/N₂）对合成氨反应的影响规律是（）A.比值越大，平衡氨含量越高B.比值越小，反应速率越快C.理论最佳比值为3:1D.实际操作中无需严格控制10.合成塔内件的主要作用是（）A.增加气体流速B.均匀分布气体并控制反应温度C.提高压力D.储存催化剂11.下列哪种原料制备合成气的碳转化率最高（）A.无烟煤B.天然气C.重油D.焦炭12.氨合成反应的热效应属于（）A.强吸热B.弱吸热C.弱放热D.强放热13.净化工序中，甲烷化法脱除少量CO的反应条件是（）A.高温高压B.低温低压C.高温低压D.低温高压14.合成氨系统中，驰放气的主要成分是（）A.NH₃、H₂OB.H₂、N₂、CH₄C.CO、CO₂D.O₂、Ar15.下列哪项不是合成氨工艺节能的关键环节（）A.余热回收B.提高单程转化率C.降低氢氮比D.优化催化剂性能二、填空题（每空1分，共20分）1.合成氨原料气的“三气”通常指________、________和________。2.铁基催化剂的助催化剂主要包括________（写两种）。3.原料气脱硫分为________和________，其中________可脱除有机硫。4.变换工序中，高变催化剂以________为活性组分，低变催化剂以________为活性组分。5.合成氨反应的化学平衡常数随温度升高而________（填“增大”或“减小”），因此低温有利于________（填“正向”或“逆向”）反应。6.氨合成塔按结构可分为________、________和________三种类型。7.净化系统中，脱碳方法除低温甲醇洗外，还有________和________（写两种）。8.合成氨系统的循环气中，惰性气体（如Ar、CH₄）的含量通常控制在________（体积分数），过高会________。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述天然气水蒸气转化法制合成气的主要步骤及关键反应。2.说明铜氨液洗涤法（铜洗）与甲烷化法在脱除微量CO时的区别（从原理、适用场景、产物影响三方面分析）。3.分析合成氨反应中，压力升高对反应速率和平衡氨含量的影响，并解释工业中不采用过高压力的原因。4.催化剂床层温度波动对合成氨生产的影响有哪些？如何控制床层温度稳定？5.列举三种合成氨工艺中常见的安全风险，并说明对应的预防措施。四、计算题（每题10分，共20分）1.某合成氨厂采用天然气转化法制备原料气，已知转化炉入口天然气组成为（体积%）：CH₄95%、C₂H₆3%、N₂2%，出口气体中CH₄含量为3%（干基）。假设所有烃类完全转化为CO和H₂，忽略水蒸气分解，计算每1000m³（标准状态）天然气转化后提供的干基气体总体积（保留两位小数）。（反应式：CH₄+H₂O→CO+3H₂；C₂H₆+2H₂O→2CO+5H₂）2.合成塔入口气体组成为（体积%）：H₂68%、N₂22%、NH₃5%、CH₄5%。已知反应后出口气体中NH₃含量为18%，假设反应前后总压不变，计算该合成塔的氨合成转化率（以N₂的转化率表示）。（提示：转化率=（反应的N₂量/入口N₂量）×100%）五、论述题（共20分）结合当前合成氨工艺的发展趋势，论述如何通过技术优化降低能耗和碳排放。要求从催化剂改进、能量回收、原料多元化、工艺集成四个方面展开，不少于300字。答案一、单项选择题1.B2.B3.C4.B5.B6.B7.C8.C9.C10.B11.B12.D13.A14.B15.C二、填空题1.半水煤气；焦炉煤气；天然气2.Al₂O₃、K₂O（或CaO、MgO等）3.干法脱硫；湿法脱硫；干法脱硫4.Fe₃O₄；CuO5.减小；正向6.轴向塔；径向塔；轴径向塔7.热钾碱法；变压吸附法（或MDEA法）8.10%-15%；降低有效气体分压，增加压缩能耗三、简答题1.主要步骤：①天然气预处理（脱硫）；②预热后进入转化炉，与水蒸气在催化剂（镍基）作用下发生转化反应；③高温转化气经废热锅炉回收热量。关键反应：CH₄+H₂O⇌CO+3H₂（主反应），CO+H₂O⇌CO₂+H₂（变换反应），部分CH₄可能发生深度转化2CH₄+3H₂O⇌CO+CO₂+7H₂。2.原理：铜洗利用铜氨络离子（[Cu(NH₃)₂]⁺）与CO形成络合物（[Cu(NH₃)₂CO]⁺）吸收CO；甲烷化法利用CO+3H₂→CH₄+H₂O反应将CO转化为CH₄。适用场景：铜洗适用于CO含量较高（0.1%-0.5%）的精细脱除；甲烷化法适用于CO含量极低（<0.1%）的深度净化。产物影响：铜洗不产生新杂质；甲烷化法提供CH₄（惰性气体），需后续驰放处理。3.压力升高时，反应速率（与分压成正比）加快，平衡氨含量（随压力升高而增加）提高。但工业中不采用过高压力的原因：①设备投资和操作成本大幅增加（高压设备材质要求高）；②压缩机能耗随压力升高呈指数增长；③催化剂在高压下易失活（如烧结）；④安全风险增大（高压泄漏后果严重）。4.影响：①温度过高会导致催化剂烧结失活，降低寿命；②温度过低会使反应速率下降，氨产量减少；③波动过大可能引发床层“飞温”或“熄火”，破坏系统稳定。控制措施：①调节冷激气流量（轴向塔）或副线气体流量（径向塔）；②优化循环气流量和组成（如控制惰性气体含量）；③监测催化剂活性，及时调整操作温度；④利用废热锅炉移热，维持热平衡。5.安全风险及措施：①合成塔超压：设置安全阀、压力传感器连锁停车；②氢气泄漏引发爆炸：使用防爆电器，定期检测管道密封性；③液氨泄漏中毒：设置氨浓度报警器，配备应急喷淋装置；④催化剂床层飞温：安装多点温度监测，控制入塔气体温度和流量。四、计算题1.解：入口天然气中CH₄为950m³，C₂H₆为30m³，N₂为20m³（干基）。CH₄转化反应：CH₄+H₂O→CO+3H₂，每1m³CH₄提供1m³CO和3m³H₂，消耗1m³H₂O。C₂H₆转化反应：C₂H₆+2H₂O→2CO+5H₂，每1m³C₂H₆提供2m³CO和5m³H₂，消耗2m³H₂O。转化后剩余CH₄为3%（干基），设干基总体积为V，则剩余CH₄=0.03V。转化的CH₄=950-0.03V，转化的C₂H₆=30m³（完全转化）。提供的CO量=(950-0.03V)×1+30×2=950-0.03V+60=1010-0.03V提供的H₂量=(950-0.03V)×3+30×5=2850-0.09V+150=3000-0.09VN₂量=20m³（不反应）干基总体积V=CO+H₂+N₂+剩余CH₄=(1010-0.03V)+(3000-0.09V)+20+0.03V=4030-0.09V解得：V+0.09V=4030→V=4030/1.09≈3697.25m³答：干基气体总体积约为3697.25m³。2.解：设入口气体总量为100mol，则H₂=68mol，N₂=22mol，NH₃=5mol，CH₄=5mol。反应式：N₂+3H₂→2NH₃，设反应的N₂为xmol，则消耗H₂=3xmol，提供NH₃=2xmol。出口气体中各组分：H₂=68-3x，N₂=22-x，NH₃=5+2x，CH₄=5（惰性气体）。出口总物质的量=(68-3x)+(22-x)+(5+2x)+5=100-2x根据出口NH₃含量18%，有：(5+2x)/(100-2x)=0.18解得：5+2x=18-0.36x→2.36x=13→x≈5.508molN₂转化率=(x/22)×100%≈(5.508/22)×100%≈25.04%答：氨合成转化率约为25.04%。五、论述题当前合成氨工艺面临能耗高（占全球能源消耗1%-2%）、碳排放大（占全球CO₂排放1.5%）的挑战，技术优化需从多维度入手：1.催化剂改进：传统铁基催化剂需高温高压（400-500℃，15-30MPa），而新型钌基催化剂（以活性炭或氮化硼为载体）活性更高，可在低压（10-15MPa）、低温（350-400℃）下运行，降低压缩和加热能耗。此外，开发双金属（如Fe-Ru）或纳米结构催化剂，可进一步提高活性和抗毒能力。2.能量回收：合成氨过程中产生大量余热（如转化炉出口高温气体、合成塔反应热），通过增设废热锅炉回收热量，可副产高压蒸汽（用于驱动压缩机或发电），降低外部能源需求。例如，采用燃气-蒸汽联合循环（GTCC），将转化炉尾气用于燃气轮机发电，效率提升10%-15%。3.原料多元化：减少对化石燃料（如天然气、煤）的依赖，发展绿氢（电解水制氢，电力来自风电、光伏）与绿氮（空气分离）结合的“绿氨”工艺，从源头消除碳排放。此外，利用工业副产氢（如炼厂尾气、焦炉煤气）替代部分化石氢，可降低原料成本