2025年合成氨工艺操作考试题及答案

2025年合成氨工艺操作考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.合成氨工艺中，新鲜气经压缩后进入合成塔前需经过的关键预处理步骤是（）。A.脱硫脱碳B.脱氧干燥C.甲烷化精制D.一氧化碳变换答案：C解析：合成氨原料气经变换、脱硫脱碳后，仍含少量CO、CO₂，需通过甲烷化精制（反应式：CO+3H₂→CH₄+H₂O，CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O）将其转化为甲烷，避免催化剂中毒。2.铁基合成氨催化剂的活性组分是（）。A.Fe₃O₄B.α-FeC.Fe₂O₃D.FeO答案：B解析：铁基催化剂以磁铁矿（Fe₃O₄）为母体，还原后生成具有活性的α-Fe，同时添加Al₂O₃、K₂O等助催化剂提高活性和热稳定性。3.合成塔触媒层热点温度控制范围通常为（）。A.300-350℃B.450-550℃C.600-650℃D.700-750℃答案：B解析：合成氨反应为放热可逆反应，温度过低反应速率慢，过高平衡转化率下降。工业上铁基催化剂最佳活性温度为450-550℃，热点温度需在此范围内调控。4.氨合成系统压力突然升高，最可能的原因是（）。A.循环机转速提高B.合成塔出口氨分离器液位过低C.新鲜气补入量增加D.放空气量增大答案：C解析：系统压力由气体净积累量决定，新鲜气补入量增加会导致系统压力上升；循环机转速提高会增加循环量但不改变总压；氨分离器液位过低可能导致带液，但不直接影响压力；放空气量增大则会降低压力。5.氨冷器操作中，气氨出口温度过低（＜-35℃）的主要危害是（）。A.增加冷冻功耗B.导致液氨带水C.造成设备低温脆裂D.降低氨分离效率答案：C解析：液氨蒸发温度与压力相关（如0.1MPa下沸点-33.4℃），若气氨出口温度过低，可能使设备材料（如普通碳钢）在低温下韧性下降，引发脆裂事故。6.合成塔入口气体中，惰性气体（Ar、CH₄）含量应控制在（）。A.1%-3%B.5%-15%C.20%-25%D.30%以上答案：B解析：惰性气体不参与反应，积累会降低氢氮分压，影响转化率。工业上通常控制在5%-15%，通过放空气系统维持平衡。7.氢氮比（H₂/N₂）偏离3:1时，对合成反应的影响是（）。A.反应速率和平衡转化率均下降B.反应速率上升但平衡转化率下降C.反应速率下降但平衡转化率上升D.无显著影响答案：A解析：根据动力学和热力学，氢氮比为3:1时反应速率最大；偏离此比例会导致有效碰撞减少（速率下降），同时平衡常数降低（转化率下降）。8.合成氨装置紧急停车时，首先应执行的操作是（）。A.切断新鲜气补入B.停止循环机C.开启系统泄压阀D.关闭氨冷器液氨进口阀答案：A解析：紧急停车时需快速切断原料输入，避免系统超压；循环机停止可能导致催化剂床层温度骤降，需在切断气源后逐步操作；泄压和关氨冷器阀为后续步骤。9.液氨储槽的设计压力应至少为（）。A.1.6MPaB.2.5MPaC.4.0MPaD.10.0MPa答案：C解析：液氨在常温（25℃）下饱和蒸气压约1.0MPa，但考虑温度波动（如夏季35℃时约1.5MPa）及安全裕度，设计压力通常取4.0MPa（GB150-2011标准要求）。10.以下哪种情况会导致合成塔催化剂永久失活？（）A.短期超温（580℃）B.少量水蒸汽带入C.硫化氢（H₂S）持续泄漏D.系统短暂停车（＜2小时）答案：C解析：H₂S会与α-Fe反应生成FeS，覆盖活性位点且无法通过还原再生，导致永久失活；超温可能烧结催化剂（可逆失活），水蒸汽可通过干燥恢复，短暂停车不会破坏结构。二、填空题（每空1分，共20分）1.合成氨反应方程式为：（），该反应为（）热、（）体积反应。答案：N₂+3H₂⇌2NH₃（催化剂，高温高压）；放；减2.合成塔内件按结构分为（）、（）、（）三种类型，其中（）型内件因气体分布均匀、阻力小应用最广。答案：轴向；径向；轴径向；轴径向3.氨分离的主要设备有（）和（），前者利用（）原理分离，后者利用（）原理分离。答案：氨分离器；氨冷器；重力沉降；冷凝4.循环气中氨含量过高会导致（），通常控制合成塔入口氨含量＜（）%（体积分数）。答案：催化剂活性下降；35.铁基催化剂还原过程的关键控制参数是（）和（），还原终点判断依据是（）。答案：温度；水汽浓度；出口气体中H₂O含量＜0.1g/m³6.合成系统压力由（）、（）和（）共同决定，正常操作中通过（）调节压力。答案：新鲜气补入量；放空气量；氨冷凝量；放空气阀7.液氨泵的常见故障包括（）和（），处理措施分别为（）和（）。答案：气蚀；密封泄漏；降低入口温度或提高入口压力；更换密封件三、简答题（每题8分，共40分）1.简述合成塔触媒层温度波动的主要原因及调节措施。答案：原因：①新鲜气流量或成分（H₂/N₂、惰性气）波动；②循环气流量变化（循环机转速、阀门开度）；③氨冷器制冷效果变化（液氨液位、蒸发压力）；④催化剂活性下降（中毒或老化）。调节措施：①稳定新鲜气流量，控制氢氮比3:1±0.1；②调整循环机转速或循环阀开度，维持循环量稳定；③调节氨冷器液氨进口阀，控制出口气氨温度（-25~-30℃）；④若催化剂活性下降，需提温操作或计划更换。2.分析合成氨系统氢氮比失调的危害及预防措施。答案：危害：①氢氮比＞3时，H₂过量导致反应速率下降（H₂吸附抑制N₂吸附），同时增加循环气中H₂含量，需增大放空气量，氢气损失增加；②氢氮比＜3时，N₂过量导致催化剂表面N₂覆盖过多，反应速率降低，平衡转化率下降。预防措施：①严格控制造气工序的H₂/N₂（通过调节煤气发生炉空气/蒸汽比例）；②设置在线气体分析仪（色谱或热导仪）实时监测循环气成分；③发现失调时，通过调节变换工序的CO变换率（改变H₂生成量）或补充氮气/氢气（需设置缓冲罐）快速纠正。3.简述氨冷器操作中“液泛”的现象、原因及处理方法。答案：现象：氨冷器气氨出口带液（管道振动、流量计波动），液位计显示满量程但实际液位异常，合成塔入口氨含量升高。原因：①液氨进口量过大（超过蒸发能力）；②气氨出口阀开度太小（蒸发空间不足）；③循环气流量突然增大（携带液滴能力增强）。处理方法：①减小液氨进口阀开度，降低液位至50%-70%；②开大氨冷器气氨出口阀，降低系统背压；③若循环气流量波动，联系压缩工序稳定流量；④检查氨冷器内部列管是否堵塞（必要时停车清洗）。4.合成氨装置长期停车时，为何需要对催化剂进行钝化处理？钝化操作的关键步骤是什么？答案：原因：还原态α-Fe在空气中会剧烈氧化放热（甚至自燃），损坏催化剂和设备。钝化处理通过缓慢氧化在催化剂表面形成致密Fe₃O₄膜，隔绝空气。关键步骤：①降温至150℃以下（避免氧化反应过热）；②引入少量空气（O₂含量＜0.5%），控制床层温升＜10℃/h；③逐步提高O₂浓度至20%，直至出口O₂含量与入口一致（钝化完成）；④钝化后用氮气置换系统，防止残留氧气。5.列举合成氨工艺中可能发生的三种安全事故，并说明其预防措施。答案：①氨泄漏中毒：预防措施为定期检查管道、阀门密封（使用肥皂水试漏），设置氨浓度报警器（阈值30ppm），操作人员佩戴防毒面具。②合成塔超压爆炸：预防措施为设置安全阀（起跳压力≤设计压力1.1倍），安装压力变送器联锁（超压时自动切断新鲜气），定期校验仪表。③催化剂床层飞温：预防措施为控制新鲜气中CO+CO₂＜10ppm（避免反应放热异常），设置温度联锁（超温时开启冷激阀注入冷气），定期检测催化剂活性（通过氨净值判断）。四、计算题（每题10分，共20分）1.某合成氨装置新鲜气流量为10000Nm³/h，组成（体积%）：H₂74.5%、N₂24.8%、Ar0.5%、CH₄0.2%。循环气流量为50000Nm³/h，组成（体积%）：H₂68%、N₂22.5%、Ar7%、CH₄2.5%、NH₃0.0%。合成塔出口气体中NH₃含量为15%（体积%），求氨合成率（以单程通过合成塔的H₂转化率表示）。答案：①计算合成塔入口气体总流量：新鲜气+循环气=10000+50000=60000Nm³/h。②入口气体中H₂总量：60000×(10000×74.5%+50000×68%)/(10000+50000)=60000×(7450+34000)/60000=41450Nm³/h。③入口气体中N₂总量：60000×(10000×24.8%+50000×22.5%)/60000=2480+11250=13730Nm³/h。④根据反应式N₂+3H₂→2NH₃，理论上H₂与N₂反应比例为3:1，实际参与反应的N₂量受限于H₂或N₂的最小值。入口H₂/N₂=41450/13730≈3.02:1（接近3:1），可认为完全按比例反应。⑤出口气体中NH₃含量15%，设反应生成NH₃为2xNm³/h，则消耗H₂3x，消耗N₂x。出口气体总量=入口总量-3x-x+2x=60000-2x。NH₃含量=2x/(60000-2x)=15%→2x=0.15×(60000-2x)→2x=9000-0.3x→2.3x=9000→x≈3913Nm³/h。⑥H₂转化量=3x≈11739Nm³/h，入口H₂总量41450Nm³/h。氨合成率=11739/41450×100%≈28.3%。2.某合成塔操作压力为15MPa，入口温度420℃，出口温度500℃，循环气流量为45000Nm³/h（标准状态）。已知合成氨反应热为-46.2kJ/mol（25℃，1atm），忽略气体热容变化（平均定压热容Cp=30kJ/(kmol·K)），计算合成塔的反应放热量（单位：MJ/h）。答案：①循环气流量换算为kmol/h：45000Nm³/h÷22.4Nm³/kmol≈2008.9kmol/h。②气体升温吸热量：Q吸=流量×Cp×(T出口-T入口)=2008.9kmol/h×30kJ/(kmol·K)×(500-420)K=2008.9×30×80=4,821,360kJ/h≈4821.36MJ/h。③反应放热量=Q吸（因合成塔绝热，反应放热用于气体升温）。但需验证：若反应生成NH₃量为ykmol/h，反应放热Q放=y×46.2kJ/mol=46200ykJ/h。气体升温吸热量=2008.9×30×80=4,821,360kJ/h=Q放→y=4,821,360/46200≈104.36kmol/h。合成塔出口氨含量=y/(2008.9-y)×100%（因每生成2molNH₃，总物质的量减少2mol），实际工业中出口氨含量约15%，计算得y≈(2008.9×15%)/(1+15%)≈262kmol/h，与上述不符，说明假设绝热不完全。正确计算应考虑：实际反应放热量=气体吸热量+热损失（假设热损失为10%），则Q放=4821.36MJ/h÷0.9≈5357MJ/h（答案取近似值5360MJ/h）。五、案例分析题（20分）某合成氨装置正常生产时，DCS显示合成塔入口压力14.8MPa（设定值15.0MPa），出口压力14.2MPa（正常压差0.5-0.7MPa），触媒层热点温度520℃（设定值500±10℃），氨冷器气氨出口温度-28℃（正常-25~-30℃）。1小时后，操作人员发现：①合成塔入口压力升至15.5MPa；②出口压力降至13.8MPa（压差1.7MPa）；③热点温度升至540℃；④氨冷器气氨出口温度降至-32℃；⑤循环机电流由120A升至145A（额定电流150A）。问题：1.分析上述异常现象的可能原因。2.提出应急处理措施。答案：1.可能原因分析：①压差异常增大（正常0.5-0.7MPa→1.7MPa）：合成塔内件或催化剂床层堵塞（如催化剂粉化、结碳、惰性物积累），导致气体流通阻力增加。②入口压力升高、出口压力降低：堵塞导致系统前压升高、后压降低，循环机需克服更大阻力，电流上升（电流与压差成正比）。③热点温度升高：气体流速降低（循环量减少），反应放热无法及时带出，床层温度累积升高。④氨冷器出口温度降低：合成塔出口氨含量可能升高（因反应时间延长，转化率提高），氨冷器需冷凝更多氨，液氨蒸发量增加，导致气氨出口温度下降；或氨冷器列管部分堵塞，换热面积减少，为维持制冷效果需降低蒸发压力（温度降低）。2.应急处理措施：①立即降低新鲜气补入量（减少系统压力上升趋势），同时联系压缩工序稳定循环机转速（避免超电流跳车）。②开启合成塔冷激阀（若有），注入低温循环气