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化工工艺学期中考试

1.合成氨生产主要分几个工序？各部分任务如何？（30分）

答：1）原料气制备

即制备含有氢、氮的原料气。用煤、原油、或天然气作原料，制备含氮、氢气的

原料气。（将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。一般焦炭、无烟煤等

固体燃料通常采用气化的方法制取合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二

段蒸汽转化法制取合成气。渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气。）

2）净化因为无论用何种方法造气，原料气中都含有对合成氨反应过程有害的各

种杂质，必须采取适当的方法除去这些杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程

以及气体精制过程。

（1）脱硫过程

（2）无论以焦炭还是天然气为原料获得的原料气中，都含有一氧化碳、二氧化

碳、硫化物等不利于合成反应的成分，需要在进入合成塔之前除去。其中硫化物

对蒸气转化都是有害的，故在原料气进入界区后，首先进行脱硫。氧化锌脱硫就

是H2S气体在固体ZnO上进行反应，生成H2O进入气相，ZnS则沉积在ZnO固体

表面上。脱无机硫温度约200℃。

（2）一氧化碳变换过程在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其

体积分数一般为12%~40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合

成气中的CO。变换反应如下：

CO+H2O→H2+CO2,ΔH=-41.2kJ/mol

由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换

段出口残余CO含量。第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；第二

步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。因此，CO变换反应既是原料气制造的

继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

（3）脱碳过程

粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其

中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等

氮肥的重要原料。因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。一般采

用溶液吸收法脱除CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸

收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯

法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗苯菲尔法，活化MDEA法，MEA法

等。

（4）气体精制过程

(少量一氧化碳的脱除)经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的

CO和CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于

10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终

净化，即精制过程。目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化

法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-190℃左右)条件下用液氮吸收

分离少量CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气

100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲

烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化

工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于0.7%。甲烷化

法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗

有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。甲烷化反应如下：CO+3H2→

CH4+H2O，ΔH=-206.2kJ/molCO2+4H2→CH4+2H2O,ΔH=-165.1kJ/mol

3）压缩和合成

将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供

液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和

催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%~20%，

故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下：N2+3H2→2NH3(g),Δ

H=-92.4kJ/mol

2.简述尿素合成的方法。（30分）

3.总结硫酸生产的主要过程和主要反应式。（20分）

1.工业制硫酸的方法

(1)硫铁矿制酸硫铁矿在沸腾焙烧炉内通空气燃烧产生SO2气体，经余热锅炉回

收热量后，依次通过旋风除尘和电除尘进行干法除尘。随后，炉气再通过洗涤、

冷却、除雾等一系列的净化操作进入干燥塔。干燥后的炉气用主鼓风机压送至一

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