【2025年】合成氨工艺试题及答案

【2025年】合成氨工艺试题及答案一、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⇌2NH₃ΔH=-92.4kJ/molB.N₂+2H₂⇌2NH₃ΔH=-82.4kJ/molC.N₂+3H₂⇌2NH₃ΔH=+92.4kJ/molD.N₂+4H₂⇌2NH₃ΔH=-102.4kJ/mol2.目前工业合成氨常用的铁基催化剂活性成分主要是（）A.Fe₃O₄B.α-FeC.Fe₂O₃D.FeO3.合成氨工艺中，选择中压法（15-30MPa）的主要原因是（）A.平衡转化率最高B.设备投资最低C.反应速率与经济性的平衡D.对原料气纯度要求最低4.原料气净化过程中，甲烷化反应的主要目的是（）A.脱除CO和CO₂B.提高H₂含量C.降低惰性气体含量D.减少硫含量5.合成氨系统中，循环气中惰性气体（Ar、CH₄）含量过高会导致（）A.反应速率加快B.氨合成率下降C.催化剂活性提高D.系统压力降低6.液氨分离通常采用的方法是（）A.降温冷凝+气液分离B.加压蒸馏C.吸附分离D.膜分离7.煤气化制合成气时，采用富氧空气的主要目的是（）A.提高煤气化温度B.减少N₂带入量C.降低氧气消耗D.增加CO₂提供量8.合成塔内件设计中，采用多段间接换热式结构的主要优势是（）A.提高催化剂装填量B.精准控制反应温度C.降低系统阻力D.增加气体停留时间9.脱硫工艺中，ADA法（蒽醌二磺酸钠法）属于（）A.干法脱硫B.湿法氧化脱硫C.物理吸收脱硫D.化学吸附脱硫10.合成氨装置紧急停车时，首先应采取的措施是（）A.切断原料气供应B.开启驰放气阀C.降低合成塔温度D.启动氨回收系统二、填空题（每空1分，共20分）1.合成氨原料气的制备方法主要有________、________和________（任写三种）。2.一氧化碳变换反应的方程式为________，该反应为________（放热/吸热）反应，工业上通常采用________（高/低）温变换串________（高/低）温变换工艺提高H₂收率。3.脱碳工艺中，MDEA（N-甲基二乙醇胺）法属于________（物理/化学）吸收法，其优势是________和________。4.合成氨催化剂的主要助催化剂包括________（至少写两种），其作用是________。5.合成塔操作温度通常控制在________℃，温度过低会导致________，温度过高会________。6.循环气中氢氮比（H₂/N₂）理论值为________，实际控制在________以提高反应速率。7.液氨贮槽的压力主要由________决定，夏季需注意________以防止超压。8.合成氨装置的主要能耗环节包括________、________和________（任写三个）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述原料气净化过程中“脱硫-变换-脱碳-精制”的工艺逻辑及各步骤目的。2.比较中压法（20MPa）与低压法（10MPa）合成氨工艺的优缺点。3.分析合成氨催化剂暂时性中毒与永久性中毒的区别，列举两种常见中毒物质并说明预防措施。4.说明合成塔内设置测温点的意义，若发现某段催化剂层温度骤降可能的原因及处理方法。5.从热力学和动力学角度解释合成氨反应为何需要高压条件。四、计算题（每题10分，共20分）1.某合成氨装置原料气组成（体积%）：H₂68%，N₂22%，CO1.5%，CO₂1.0%，CH₄3.5%，Ar4.0%。经甲烷化处理后，CO和CO₂总含量降至10ppm（体积）。计算甲烷化后循环气中H₂/N₂比例是否符合理论要求（假设甲烷化反应：CO+3H₂=CH₄+H₂O，CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O，忽略水蒸汽影响）。2.已知合成塔入口气体中氨含量为3.5%（体积），出口氨含量为18.0%，循环气流量为150000Nm³/h，新鲜气流量为25000Nm³/h，计算合成塔的氨净值及循环比（循环比=循环气流量/新鲜气流量）。五、综合分析题（每题15分，共30分）1.某合成氨装置运行中出现合成塔压力持续上升、氨产量下降的现象，结合工艺流程图分析可能的原因（至少列出5项）及对应的排查方法。2.针对“双碳”目标，提出合成氨工艺的节能减碳改造方案（至少包括原料优化、工艺改进、余热利用三个方面），并说明各方案的技术原理及预期效果。答案一、单项选择题1.A2.B3.C4.A5.B6.A7.B8.B9.B10.A二、填空题1.煤气化（煤制气）、天然气蒸汽转化、重油部分氧化（或焦炉气转化）2.CO+H₂O⇌CO₂+H₂；放热；高；低3.化学；选择性好（只吸收CO₂）、能耗低（再生热小）4.Al₂O₃、K₂O、CaO（任选两种）；改善催化剂结构（如增加比表面积）、提高活性和抗毒能力5.400-500；反应速率过慢；催化剂烧结失活（或平衡转化率下降）6.3:1；2.8-3.2（或2.5-3.0）7.液氨温度；降温（或喷淋水冷却）8.原料气压缩（或合成气压缩）、气体净化（如脱碳再生）、合成反应（或氨分离）三、简答题1.工艺逻辑：先脱除对变换催化剂有毒的硫（硫会使铁系变换催化剂中毒）→通过变换反应将CO转化为H₂（提高H₂产量）→脱除大量CO₂（减少后续精制负荷）→深度精制（脱除残余CO、CO₂，防止合成催化剂中毒）。各步骤目的：脱硫（保护变换催化剂）；变换（增产H₂）；脱碳（降低CO₂含量）；精制（确保合成气中CO+CO₂＜10ppm，保护氨合成催化剂）。2.中压法优点：反应速率较快（压力高，分子碰撞频率高）、单程转化率较高（高压利于平衡右移）、设备尺寸相对较小（相同处理量下）；缺点：设备投资较高（高压设备制造要求高）、能耗较高（压缩功大）。低压法优点：设备投资低（对材质要求低）、能耗较低（压缩功小）；缺点：反应速率较慢（需更大催化剂装填量）、单程转化率低（需更高循环比，增加循环功耗）。3.区别：暂时性中毒（可逆中毒）是毒物与催化剂活性中心弱结合，可通过再生（如升温、还原）恢复活性；永久性中毒（不可逆中毒）是毒物与活性中心强结合（如形成稳定化合物），无法再生。常见中毒物质：硫（H₂S）→永久性中毒（与α-Fe提供FeS）；氧（O₂）→暂时性中毒（氧化Fe为FeO/Fe₃O₄，可通过还原再生）。预防措施：严格控制原料气硫含量（脱硫精度＜0.1ppm）；避免空气漏入系统（如设备密封）；设置在线气体分析仪监测毒物含量。4.测温点意义：监测催化剂层温度分布，判断反应进行程度（温度分布反映反应热释放）、催化剂活性（热点温度位置变化）、是否存在偏流（各点温差过大）。温度骤降可能原因：原料气流量突增（稀释反应热）、原料气中毒物含量升高（催化剂失活，反应放热减少）、冷激气阀门误开（引入低温气体）、测温点故障。处理方法：检查原料气流量及组成（尤其是硫、氧含量）；关小冷激气阀门；确认测温仪表是否正常；若催化剂中毒，需切除毒物来源并进行还原再生。5.热力学角度：合成氨反应是体积缩小的反应（1molN₂+3molH₂→2molNH₃），高压可使平衡向正方向移动，提高平衡转化率；动力学角度：高压下气体分子浓度增加，反应速率常数增大（根据质量作用定律，速率与各组分分压的幂次方成正比），可加快反应速度。因此高压既利于提高平衡转化率，又能提升反应速率，是综合热力学与动力学的最优选择。四、计算题1.原始气体中CO=1.5%，CO₂=1.0%。甲烷化反应消耗H₂量：CO消耗H₂：1.5%×3=4.5%CO₂消耗H₂：1.0%×4=4.0%总消耗H₂=4.5%+4.0%=8.5%甲烷化后H₂含量=68%-8.5%=59.5%N₂含量保持22%（不参与甲烷化）H₂/N₂=59.5%/22%≈2.70（理论值为3:1），略低于理论值，需适当调整原料气组成（如增加N₂或减少H₂）。2.氨净值=出口氨含量-入口氨含量=18.0%-3.5%=14.5%循环比=循环气流量/新鲜气流量=150000/25000=6:1五、综合分析题1.可能原因及排查方法：（1）合成塔催化剂活性下降：排查原料气中硫、氧含量（是否超标导致中毒）；检测催化剂层热点温度（是否降低）；分析出口氨含量（是否低于设计值）。（2）循环气中惰性气体（CH₄、Ar）积累：检查驰放气流量（是否过小）；分析循环气组成（CH₄+Ar是否超过15%）；确认驰放气阀是否正常。（3）氨分离效率下降：检查氨冷器温度（是否高于设计值，导致液氨未完全冷凝）；查看气液分离器液位（是否过高，液体夹带）；检测循环气中氨含量（是否高于正常值）。（4）合成气压缩机故障：检查压缩机出口压力（是否低于额定值）；监测压缩机电耗（是否异常升高）；查看缸体温度（是否局部过热）。（5）系统泄漏：用肥皂水检查法兰、阀门连接处（是否有气泡）；监测系统总压力与各段压差（是否异常下降）；分析弛放气流量与组成（是否含空气成分）。2.节能减碳改造方案：（1）原料优化：采用绿氢（风电/光伏电解水制H₂）与工业副产氮（如空分装置尾气）合成氨。技术原理：绿氢替代传统化石燃料制氢，从源头减少CO₂排放（电解水制氢无直接排放，电力来自可再生能源）。预期效果：原料环节CO₂排放降低80%以上。（2）工艺改进：采用低压合成工艺（8-12MPa）+新型钌基催化剂（活性比铁基高2-3倍）