民國115年 普通考試 化學工程 工業化學概要
第3題
化學肥料泛指人工合成之無機肥料，常見者例如尿素、硫酸鉀及過磷酸 鈣。試說明哈伯法（Haber process）製備尿素之生產原料及後續合成尿素 之程序及其操作條…
題目
化學肥料泛指人工合成之無機肥料，常見者例如尿素、硫酸鉀及過磷酸 鈣。試說明哈伯法（Haber process）製備尿素之生產原料及後續合成尿素 之程序及其操作條件。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、名詞釐清與原料：哈伯法（Haber–Bosch process）本身是氨合成法，並不直接合成尿素；尿素工業是先以哈伯法製氨，再以氨與二氧化碳進行尿素合成（Bosch–Meiser process）。原料包括天然氣、石腦油或煤製得之氫，空氣分離所得之氮，以及蒸汽；二氧化碳則常由合成氨廠或燃燒尾氣回收。
- 二、哈伯法製氨：N2 + 3H2 ⇌ 2NH3，反應放熱且莫耳數減少。商業觸媒為熔融鐵觸媒（由 Fe3O4 還原所得 α-Fe），含 K2O、Al2O3、CaO 等助劑；操作約 400–500°C、150–300 atm，單程轉化率約 10–20%，未反應氣循環使用。氫氮比約 3:1，氣體須深度淨化以避免觸媒中毒。
- 三、尿素合成主反應：2NH3 + CO2 ⇌ NH2COONH4（氨基甲酸銨，ammonium carbamate，放熱）；NH2COONH4 ⇌ CO(NH2)2 + H2O（脫水，吸熱）。總反應為 2NH3 + CO2 ⇌ CO(NH2)2 + H2O。程序包括二氧化碳壓縮、氨化、氨基甲酸銨生成、加熱脫水、氣提回收、蒸發濃縮及造粒。
- 四、操作條件：尿素合成塔約 170–200°C、150–250 atm，氨與二氧化碳之莫耳比約 2.5–4（常採 3–4），停留時間約 20–40 分鐘，二氧化碳單程轉化率約 50–70%。高壓有利氨基甲酸銨生成；較高溫度有利脫水，但會增加腐蝕與副產物，操作上須取得平衡。
- 五、後續程序與品質控制：反應液經減壓閃蒸、加熱分解未反應之氨基甲酸銨，並回收氨與二氧化碳；尿素溶液再經真空蒸發、結晶或造粒得固體尿素。控制溫度與停留時間可減少縮二脲（biuret）生成，避免損害作物；設備常採尿素級不鏽鋼以防腐蝕。答題應明確指出哈伯法供氨，尿素另由氨與二氧化碳合成。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。