(2025年)合成氨工艺理论考试题库及答案

(2025年)合成氨工艺理论考试题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.合成氨反应N₂+3H₂⇌2NH₃的热力学特征为（）A.吸热、体积增大的可逆反应B.放热、体积减小的可逆反应C.吸热、体积减小的不可逆反应D.放热、体积增大的不可逆反应答案：B2.现代大型合成氨装置中，新鲜气氢氮比（H₂/N₂）控制范围通常为（）A.1.5-2.0B.2.8-2.9C.3.5-4.0D.4.5-5.0答案：B3.合成氨铁基催化剂的主要活性成分是（）A.FeOB.Fe₃O₄C.α-FeD.Fe₂O₃答案：C4.合成塔内件中，用于回收反应热预热入塔气的关键部件是（）A.触媒筐B.热交换器C.电加热器D.分气盒答案：B5.当循环气中甲烷（CH₄）含量超过15%时，对合成反应的主要影响是（）A.降低反应速率B.提高氨净值C.增加系统压力D.减少催化剂失活答案：A6.液氨贮槽的设计压力通常需满足（）A.1.6-2.5MPaB.5.0-6.5MPaC.8.0-10.0MPaD.12.0-15.0MPa答案：A7.合成氨工艺中，最常用的脱碳方法是（）A.低温甲醇洗B.变压吸附（PSA）C.热钾碱法（Benfield）D.液氮洗答案：C8.氨合成反应的最佳温度曲线是指（）A.随反应进程温度逐渐升高的曲线B.随反应进程温度先升后降的曲线C.催化剂活性最高时的温度分布D.使反应速率最大的温度分布答案：D9.当合成塔入口氨含量从2%升至4%时，氨净值的变化趋势是（）A.显著增加B.基本不变C.略有上升D.明显下降答案：D10.新型钌基合成氨催化剂相比传统铁基催化剂的主要优势是（）A.成本更低B.操作压力更高C.低温活性更好D.抗硫性更弱答案：C二、填空题（每空1分，共15分）1.合成氨原料气的净化过程包括脱硫、（）、（）和脱碳四个主要步骤。答案：一氧化碳变换、气体精制2.氨合成塔的操作压力可分为低压（10-15MPa）、中压（15-30MPa）和高压（30-70MPa），目前工业主流采用（）压力等级。答案：中压3.铁基催化剂的还原反应式为（），还原终点判断的主要依据是（）。答案：Fe₃O₄+4H₂=3Fe+4H₂O；出口水汽浓度连续4小时小于0.2g/m³4.合成氨系统的惰性气体主要包括（）、（）和氩气（Ar），其含量过高会降低（）。答案：甲烷（CH₄）、氮气（N₂）；氢氮有效分压5.氨分离的主要设备有（）和（），其中（）适用于高压低温工况。答案：氨冷器、氨分离器；氨分离器6.低碳合成氨工艺中，电解水制氢的主要能源是（），其与传统煤制氢相比可减少（）排放。答案：可再生能源（风电/光伏）；二氧化碳三、简答题（每题6分，共30分）1.简述合成氨反应中氢氮比偏离3:1对生产的影响。答案：理论氢氮比为3:1时反应平衡氨含量最高。若H₂过高，会导致催化剂表面H₂吸附过强，抑制N₂吸附，降低反应速率；若N₂过高，未反应的N₂循环会增加系统能耗。实际控制2.8-2.9是综合平衡反应速率与循环能耗的结果。2.分析合成塔催化剂层温度波动的主要原因及调节措施。答案：原因包括：①入塔气温度/流量波动；②循环气中惰性气体含量变化；③催化剂活性下降；④氨冷器冷却效果异常。调节措施：①稳定压缩机转速控制气量；②通过塔壁副线或冷激气调节各层温度；③定期排放惰性气体；④检查氨冷器液位及冷冻系统运行状态。3.说明合成氨系统压力升高对生产的影响（从反应平衡、设备、能耗三方面）。答案：①反应平衡：高压利于氨合成，提高平衡氨含量；②设备：高压增加设备材质要求（需用低合金高强度钢），密封难度增大；③能耗：高压下循环机功耗增加，但因氨净值提高可减少循环量，综合能耗需优化操作压力（中压15-30MPa为经济选择）。4.简述铁基催化剂中毒的主要类型及预防措施。答案：中毒类型：①永久性中毒（硫、磷、砷等化合物与Fe形成稳定化合物）；②暂时性中毒（氧、一氧化碳、二氧化碳与Fe吸附导致活性位点覆盖）。预防措施：①严格控制原料气脱硫精度（H₂S＜0.1ppm）；②变换气需彻底脱碳（CO+CO₂＜10ppm）；③催化剂装填时避免油污污染；④开停车时用惰性气体置换，防止空气进入。5.对比传统煤制氨与绿氢氨（风电制氢+氮气）的工艺路线差异。答案：①原料：煤制氨以煤炭为原料（经煤气化制合成气），绿氢氨以可再生能源电解水制氢+空分制氮；②净化流程：煤制氨需复杂的脱硫、变换、脱碳；绿氢氨无需脱硫（水电解氢纯度＞99.9%），仅需脱除微量氧；③碳排放：煤制氨吨氨排放约1.8-2.2吨CO₂（需配套CCUS），绿氢氨理论零碳排放（仅空分耗电）；④能耗：煤制氨综合能耗约28-30GJ/吨，绿氢氨受限于电解槽效率（当前约45-50kWh/kgH₂），能耗较高但随技术进步可降低。四、计算题（每题10分，共20分）1.某合成氨装置入塔气组成为（体积%）：H₂68.5%，N₂23.0%，NH₃2.5%，CH₄+Ar6.0%；出塔气组成为：H₂58.0%，N₂19.3%，NH₃12.7%，CH₄+Ar10.0%。计算该塔的氨净值及氢氮转化率。解：氨净值=出塔氨含量-入塔氨含量=12.7%-2.5%=10.2%设入塔气总量为100mol，则各组分物质的量：H₂=68.5mol，N₂=23.0mol，NH₃=2.5mol，惰性气=6.0mol反应后总量=100-Δn（反应消耗的H₂+N₂提供NH₃，每提供2molNH₃消耗4mol气体，总物质的量减少2mol）设提供xmolNH₃，则消耗N₂=x/2mol，消耗H₂=3x/2mol，剩余H₂=68.5-3x/2，剩余N₂=23.0-x/2出塔气中H₂体积%=58.0%=（68.5-3x/2）/（100-x）×100%解得：68.5-1.5x=0.58×(100-x)68.5-1.5x=58-0.58x10.5=0.92x→x≈11.41mol氢转化率=（3x/2）/68.5×100%=（17.115）/68.5×100%≈25.0%氮转化率=（x/2）/23.0×100%=（5.705）/23.0×100%≈24.8%答案：氨净值10.2%，氢转化率约25.0%，氮转化率约24.8%2.某合成氨系统循环量为50000m³/h（标况），入塔气氨含量2.0%，出塔气氨含量14.0%，液氨分离效率99%。计算每小时液氨产量（液氨密度680kg/m³，NH₃分子量17）。解：循环气中参与反应的气量=50000×(1-2.0%)=49000m³/h（扣除入塔氨）氨净值=14.0%-2.0%=12.0%每小时合成的氨气体积=50000×12.0%=6000m³/h（标况）氨的物质的量=6000/22.4≈267.86kmol/h氨的质量=267.86×17≈4553.6kg/h液氨产量=4553.6×99%≈4508.1kg/h≈4.51吨/h答案：约4.51吨/小时五、案例分析题（15分）某合成氨装置运行中出现以下现象：合成塔出口氨含量从13%降至10%，循环机电流上升，触媒层热点温度从480℃降至450℃。请分析可能原因并提出处理措施。答案：可能原因分析：（1）催化剂活性下降：①长期运行导致催化剂烧结（活性组分晶粒长大）；②原料气中微量毒物（如H₂O、O₂）穿透，造成暂时性中毒；③还原不彻底，部分催化剂未充分活化。（2）操作参数波动：①氢氮比偏离最佳值（如H₂不足或N₂过高）；②循环气中惰性气体（CH₄+Ar）含量升高（＞15%），降低有效分压；③入塔气温度过低（预热器故障），反应热不足以维持温度。（3）设备问题：①热交换器内漏，部分冷气短路未预热；②氨冷器效率下降（液位过高或冷冻机故障），导致入塔气氨含量升高（循环气中NH₃未充分分离）；③压缩机打气量不足，系统压力下降（＜18MPa）。处理措施：（1）立即分析循环气组分：检测CH₄、Ar含量（若＞15%需加大弛放气排放）；检测H₂S、CO、CO₂含量（若超标需检查脱硫、脱