2025年合成氨工艺复审考试题(附答案)

2025年合成氨工艺复审考试题(附答案)一、单项选择题（每题2分，共20题，40分）1.合成氨反应的主反应方程式为（）A.N₂+3H₂→2NH₃（可逆，放热）B.N₂+2H₂→2NH₃（可逆，吸热）C.N₂+3H₂→2NH₃（不可逆，放热）D.N₂+2H₂→2NH₃（不可逆，吸热）2.目前工业合成氨普遍采用的催化剂主要活性成分为（）A.Fe₃O₄B.Fe₂O₃C.Co-MoD.Ru基化合物3.合成氨工艺中，新鲜原料气的氢氮比（H₂/N₂）理论控制范围为（）A.1.5~2.0B.2.5~3.0C.3.5~4.0D.4.5~5.04.合成塔内件中，用于均匀分配气体并支撑催化剂的关键部件是（）A.中心管B.分气盒C.冷激管D.触媒筐5.合成氨系统中，氨冷器的主要作用是（）A.降低循环气温度，分离液氨B.提高循环气压力，促进反应C.回收反应余热，预热原料气D.吸收惰性气体，净化系统6.当合成塔催化剂床层温度低于（）时，反应速率显著下降，需紧急提温A.350℃B.450℃C.550℃D.650℃7.合成氨系统中，驰放气的主要成分是（）A.NH₃、H₂OB.H₂、N₂、CH₄、ArC.CO、CO₂D.O₂、H₂S8.液氨储罐的设计压力通常不低于（）A.1.6MPaB.2.5MPaC.4.0MPaD.16.0MPa9.合成氨工艺中，循环气中的甲烷（CH₄）体积分数一般控制在（）A.1%~3%B.5%~15%C.20%~30%D.35%~45%10.紧急停车时，合成塔应优先执行的操作是（）A.切断原料气进料B.开启驰放气阀泄压C.关闭循环机D.通入氮气置换11.合成氨反应的最适宜温度随压力升高而（）A.升高B.降低C.不变D.先升后降12.氨分离器的分离效率主要取决于（）A.气体流速B.操作压力C.催化剂活性D.原料气纯度13.合成氨系统中，水冷器的冷却水入口温度一般控制在（）A.10~15℃B.20~30℃C.40~50℃D.60~70℃14.催化剂还原过程中，出水速率过快会导致（）A.催化剂活性中心烧结B.床层温度下降C.还原不彻底D.系统压力波动15.合成塔出口气体中氨含量的正常范围是（）A.5%~8%B.12%~18%C.20%~25%D.28%~32%16.循环机的作用是（）A.提高原料气压力B.维持系统气体循环C.分离液氨D.回收余热17.合成氨系统中，防止催化剂中毒的关键杂质是（）A.H₂OB.O₂C.S、P、Cl化合物D.CH₄18.液氨输送管道的材质通常选用（）A.普通碳钢B.304不锈钢C.铜合金D.聚四氟乙烯19.合成塔内件中，用于移走反应热的结构是（）A.中心管B.冷激管C.触媒筐D.分气盒20.当系统压力突然下降时，首先应检查（）A.循环机运行状态B.氨冷器液位C.驰放气阀开度D.原料气压缩机二、填空题（每空1分，共20空，20分）1.合成氨反应的热力学特征是______（填“吸热”或“放热”）、______（填“体积增大”或“体积减小”）的可逆反应。2.工业合成氨催化剂的主要载体是______，还原后的活性组分是______。3.新鲜原料气进入合成系统前需经过______、______等净化处理，以脱除硫、碳氧化物等杂质。4.合成塔操作中，热点温度是指催化剂床层的______温度，通常控制在______℃范围内。5.氨分离的常用设备有______和______，其分离原理是利用氨的______随温度降低而______（填“升高”或“降低”）。6.循环气中惰性气体（CH₄、Ar）的累积会______（填“提高”或“降低”）有效气体分压，因此需通过______来维持其含量稳定。7.水冷器的作用是通过______将合成塔出口气体中的______（填“显热”或“潜热”）传递给冷却水，使气体温度降至______℃左右。8.合成氨系统的操作压力通常为______MPa，高压法压力可达______MPa以上。9.紧急停车时，需立即切断______，关闭______，并开启______进行系统置换。10.催化剂活性下降的主要表现为合成塔出口氨含量______（填“升高”或“降低”），床层温度______（填“上升”或“下降”）。三、判断题（每题1分，共10题，10分）1.合成氨反应的平衡转化率随压力升高而增大，因此操作压力越高越好。（）2.催化剂还原时，应控制床层温度均匀上升，避免局部过热导致烧结。（）3.氢氮比过高会导致氮气不足，降低反应速率；过低则氢气不足，同样影响效率。（）4.合成塔出口温度越高，说明反应越完全，氨产量越高。（）5.氨冷器液位过高会导致循环气带液，损坏循环机；液位过低则分离效率下降。（）6.循环气中惰性气体含量越高，系统能耗越低，因此无需严格控制。（）7.水冷器结垢会降低换热效率，导致合成塔入口温度升高，影响反应平衡。（）8.系统压力波动主要由原料气流量变化引起，与循环机运行状态无关。（）9.紧急停车后，需待系统压力降至常压方可进行检修，避免氨泄漏。（）10.催化剂中毒后，可通过提高床层温度恢复活性，无需更换。（）四、简答题（每题5分，共6题，30分）1.简述合成氨工艺的主要流程步骤（从原料气制备到液氨储存）。2.催化剂还原的关键控制条件有哪些？还原不彻底对生产有何影响？3.氢氮比（H₂/N₂）控制在2.5~3.0的意义是什么？实际生产中如何调整该比例？4.合成塔温度控制的核心目标是什么？常用的温度调节手段有哪些？5.氨分离设备的选择需考虑哪些因素？对比水冷器与氨冷器的分离效果差异。6.循环气中惰性气体（CH₄、Ar）的控制策略是什么？过高或过低会对系统产生哪些影响？五、计算题（每题10分，共2题，20分）1.某合成氨装置新鲜原料气组分为（体积分数）：H₂74%，N₂24%，CH₄1.5%，Ar0.5%。假设系统无泄漏，循环气中CH₄含量控制在12%，计算驰放气中CH₄的体积分数（提示：惰性气体在系统中累积平衡时，新鲜气带入量=驰放气带出量）。2.已知合成塔入口气体流量为100000Nm³/h，入口氨含量为3%，出口氨含量为15%，计算每小时合成的液氨量（液氨密度取680kg/m³，标准状况下气体摩尔体积为22.4Nm³/kmol）。六、案例分析题（20分）某合成氨装置运行中，合成塔出口氨含量从14%降至10%，同时床层热点温度从480℃降至450℃，循环气压力由15MPa升至16MPa。请分析可能的原因，并提出针对性的处理措施。参考答案一、单项选择题1.A2.A3.B4.D5.A6.B7.B8.C9.B10.A11.B12.A13.B14.A15.B16.B17.C18.B19.B20.C二、填空题1.放热；体积减小2.氧化铝（或Al₂O₃）；α-Fe（或金属铁）3.脱硫；脱碳（或变换、甲烷化）4.最高；460~5205.氨分离器；氨冷器；溶解度；升高6.降低；驰放气排放7.间壁换热；显热；40~508.15~30；709.原料气；循环机；氮气阀10.降低；下降三、判断题1.×（压力过高增加设备投资和能耗）2.√3.√4.×（温度过高会使平衡逆向移动）5.√6.×（惰性气体累积会降低有效分压，增加循环能耗）7.√8.×（循环机故障会导致压力波动）9.√10.×（不可逆中毒需更换催化剂）四、简答题1.主要流程：原料气制备（煤/天然气造气）→净化（脱硫、变换、脱碳、甲烷化）→压缩（原料气压缩机升压）→合成（合成塔反应）→分离（水冷器、氨冷器分离液氨）→循环（未反应气体经循环机返回合成塔）→储存（液氨输送至储罐）。2.还原关键条件：温度（450~500℃逐步升温）、空速（保证还原气流通）、出水速率（≤10kg/h·m³催化剂，避免床层温差过大）。还原不彻底会导致催化剂活性中心少，反应速率低，氨产量下降，同时未还原的Fe₃O₄易在生产中再次氧化失活。3.意义：H₂/N₂=3时为化学计量比，此时反应速率最快；实际控制2.5~3.0可兼顾平衡转化率与反应速率。调整方法：通过调节造气工段的H₂/N₂（如天然气造气调节蒸汽/天然气比），或在净化后补充N₂（空分装置）或H₂（变压吸附）。4.核心目标：维持催化剂活性温度区间（460~520℃），避免超温烧结或低温失活，同时最大化氨生成速率。调节手段：①冷激阀调节（注入冷循环气降低床层温度）；②循环量调节（增大循环量带走热量）；③原料气预热温度调节（控制入塔气温度）。5.选择因素：分离效率（氨含量）、操作压力、温度、设备投资。水冷器分离效果：利用循环水冷却至40~50℃，分离后循环气氨含量约2%~3%；氨冷器通过液氨蒸发冷却至-10~0℃，分离后氨含量降至0.5%~1%，分离效率更高，但需消耗冷量。6.控制策略：通过驰放气排放维持循环气中惰性气体含量（通常5%~15%）。过高影响：有效气体分压降低，反应速率下降，循环能耗增加；过低影响：驰放气量大，有效气体（H₂、N₂）损失增加，原料气消耗上升。五、计算题1.设新鲜气流量为F，驰放气流量为P。惰性气体（CH₄+Ar）在新鲜气中含量=1.5%+0.5%=2%，循环气中CH₄=12%（Ar含量可忽略）。根据物料平衡：F×2%=P×12%→P=F×(2%/12%)=F/6。驰放气中CH₄体积分数=（F×1.5%）/P=（F×1.5%）/(F/6)=9%。2.氨净增量=出口氨含量-入口氨含量=15%-3%=12%。每小时合成氨的物质的量=100000Nm³/h×12%/22.4Nm³/kmol=535.71kmol/h。液氨质量=535.71kmol/h×17kg/kmol=9107.07kg/h≈9.11吨/h。六、案例分析题可能原因：①催化剂活性下降（中毒、老化或还原不彻底），导致反应速率降低；②氢氮比偏离最佳范围（如H₂/N₂过高或过低），影响反应平衡；③循环气中惰性气体（CH₄、Ar）含量升高，有效分压降低；④合成塔内件泄漏（如冷激管、中心管漏），气体短路未参与反应；⑤原料气杂质（如O₂、H₂O）带入，导致催化剂暂时中毒；⑥循环量过大，气体在塔内停留时间缩短，反应不充分。处理措施