合成氨合成题库

合成氨合成题库一、单项选择题（共20题，每题1分，每题的备选项中，只有1个最符合题意）1.氨合成反应N₂+3H₂⇌2NH₃的基础热力学特征是（）A.可逆吸热、气体分子数增加B.可逆放热、气体分子数减少C.不可逆放热、气体分子数不变D.可逆吸热、气体分子数减少2.工业熔铁基氨合成催化剂还原前的主要化学成分为（）A.α-FeB.Fe₂O₃C.Fe₃O₄D.FeO3.铁基氨合成催化剂具备反应活性的核心组分是还原过程中生成的（）A.α-FeB.γ-Fe₂O₃C.FeAl₂O₄D.KFeO₂4.氨合成反应的动力学速率控制步骤是（）A.氢分子在催化剂表面的解离吸附B.氮分子在催化剂表面的解离吸附C.吸附态氮和氢的表面化合反应D.氨分子从催化剂表面的脱附5.工业装置中，A110系列传统熔铁催化剂的正常活性温度区间为（）A.200~350℃B.360~540℃C.550~700℃D.100~250℃6.氨合成反应达到化学平衡时，下列操作条件变化能提升平衡氨含量的是（）A.升高温度、降低压力B.降低温度、升高压力C.提高惰性气含量、降低氢氮比D.升高温度、提高惰性气含量7.从氨合成反应动力学最优角度考虑，远离平衡态时循环气的最佳氢氮比控制范围为（）A.1.0~1.5B.2.5~2.9C.4.0~5.0D.6.0~7.08.氨合成回路中累积的惰性气体主要组成为（）A.CH₄、ArB.CO、CO₂C.H₂S、COSD.O₂、H₂O9.大型氨厂（操作压力10~15MPa）普遍采用的合成塔塔型为（）A.轴向冷管式合成塔B.径向/轴径向绝热式合成塔C.列管式固定床合成塔D.套筒式合成塔10.铁基催化剂升温还原过程中，为避免已还原催化剂被反复氧化，需严格控制系统水汽浓度，还原主期水汽浓度最高不超过（）A.0.1g/m³B.3.0g/m³C.10g/m³D.20g/m³11.工业合成流程中，氨分离的核心原理是（）A.溶剂吸收溶解气氨B.吸附剂选择性吸附气氨C.加压降温使气氨冷凝液化后分离D.膜分离选择性渗透氨分子12.为保证氨冷器换热效率、避免带液风险，氨冷器的正常液位控制范围为液位计量程的（）A.10%~20%B.1/2~2/3C.90%~100%D.0~10%13.合成回路中弛放气的最佳排放位置为（）A.合成塔出口、废热锅炉前B.氨分离器后、循环压缩机入口前C.新鲜气补入口、油分离器前D.氨冷器入口、冷交换器后14.下列杂质中，会造成铁基催化剂永久性中毒、导致活性不可逆衰退的是（）A.水蒸气B.COC.硫化物D.CO₂15.中压法合成氨（操作压力30~32MPa）采用轴向冷管塔时，正常操作空速范围一般为（）A.1000~3000h⁻¹B.20000~25000h⁻¹C.50000~60000h⁻¹D.80000~100000h⁻¹16.当催化剂床层发生“垮温”（温度骤降至活性温度以下）时，首要处置措施是（）A.大幅提高系统压力B.减少循环量、关小冷副线，必要时投用开工电炉补热C.加大新鲜气补入量D.开大弛放气阀大量排放17.循环机设置防喘振控制系统的核心实现方式是（）A.提高入口压力B.降低出口压力C.将出口部分气体返回入口，保证入口流量高于喘振临界流量D.提高气体温度18.催化剂床层热点温度超过（）时，α-Fe微晶会快速烧结，造成比表面积下降、活性永久衰退A.350℃B.450℃C.550℃D.700℃19.30MPa压力下，经氨冷器冷却至-5~0℃时，进塔气体的氨含量一般控制在（）A.2%~4%B.10%~12%C.15%~20%D.20%~25%20.合成系统开工加热炉的核心作用是（）A.正常生产时持续加热进塔气体维持反应温度B.催化剂升温还原阶段提供热源、异常工况下补热维持床层温度C.加热液氨使其气化D.加热弛放气回收热量二、多项选择题（共10题，每题2分，每题的备选项中，有2个或2个以上符合题意，至少有1个错项，错选本题不得分，少选所选的每个选项得0.5分）1.下列因素中，会影响氨合成反应平衡氨含量的有（）A.操作压力B.操作温度C.氢氮比D.惰性气体含量2.铁基氨合成催化剂中常用的促进剂组分及对应作用，说法正确的有（）A.Al₂O₃为结构性促进剂，阻隔α-Fe微晶烧结，提高催化剂热稳定性B.K₂O为电子型促进剂，降低氮分子吸附活化能，提升催化剂本征活性C.CaO为助熔剂，降低催化剂熔融温度，促进促进剂均匀分散D.α-Fe为载体组分，提高催化剂机械强度3.工业氨合成塔设计需满足的基本要求包括（）A.能维持催化剂床层接近最适宜温度分布，获得较高氨净值B.气体通过床层阻力小，降低循环机功耗C.结构可靠，催化剂装填、检修方便D.具备足够的换热面积，有效回收反应热4.影响铁基催化剂升温还原质量的核心操作因素有（）A.还原温度与升温速率B.还原空速C.系统水汽浓度D.还原气氢含量5.工业生产中导致合成催化剂活性下降的常见原因有（）A.硫、砷等杂质造成永久性中毒B.反复开停车、超温导致微晶烧结C.压力波动大、升降压速率过快导致催化剂粉化D.循环机带油覆盖催化剂表面活性位6.合成系统压力异常升高的常见诱因有（）A.催化剂活性衰退，氨合成转化率下降，有效气消耗速率低于补入速率B.惰性气累积未及时排放C.氨冷温度过高，氨分离效果差，进塔氨含量升高导致反应推动力下降D.管路、阀门堵塞造成局部阻力上升7.下列关于氨合成反应最适宜温度的说法，正确的有（）A.最适宜温度是指一定催化剂、气体组成下，反应速率达到最大值时对应的温度B.随反应进程中氨含量升高，最适宜温度逐渐降低C.催化剂活性越高，对应的最适宜温度区间越低D.最适宜温度始终高于对应条件下的平衡温度8.径向流合成塔相比传统轴向流合成塔的技术优势有（）A.气体流动路径短，床层阻力低，可大幅降低循环机压缩功耗B.可采用小粒径催化剂，降低内扩散阻力，提升催化剂利用率C.气体分布均匀，同平面温差小，催化剂使用效率高D.结构简单，制造、安装成本远低于轴向塔9.合成工段正常开停车操作的基本原则包括（）A.开车升温严格遵循升温曲线，控制床层升温速率，避免热应力损坏设备、催化剂B.长期停车需将催化剂床层降至常温，用高纯氮保压，防止空气渗入造成催化剂氧化C.短期停车需维持系统正压，避免空气进入形成爆炸性混合物D.引氨过程需缓慢操作，防止液氨快速气化造成管道冻堵、超压10.合成系统发生液氨带液的危害包括（）A.液氨进入循环机造成液击，损坏叶轮等部件B.液氨进入合成塔后气化吸热，造成床层温度骤降甚至垮温C.液氨夹带的油污、杂质堵塞管道、阀门，增大系统阻力D.严重带液会造成系统压力大幅波动，引发安全事故三、判断题（共15题，每题1分，正确填“√”，错误填“×”）1.氨合成反应为可逆放热反应，操作温度越高，平衡氨含量越高。（）2.催化剂可以加快氨合成反应速率，但无法改变化学平衡状态，不能提高平衡氨含量。（）3.合成操作压力越高越有利于氨合成反应，因此工业装置应尽可能选择最高操作压力。（）4.惰性气含量升高会降低平衡氨含量，因此生产中应将惰性气含量控制为零。（）5.合成塔冷副线的作用是通过调节未预热的冷气体流量，控制催化剂床层入口温度，调节床层温度分布。（）6.催化剂升温还原时压力越高还原速率越快，因此还原阶段应尽可能将压力提至正常操作压力。（）7.CO、水蒸气等含氧化合物造成的催化剂暂时性中毒，在切断毒物来源、通入纯净氢氮气吹扫后，催化剂活性可逐步恢复。（）8.氨冷温度越低，氨分离效果越好，因此生产中应尽可能降低氨冷温度至装置能达到的最低值。（）9.循环气量越大、空速越高，气体在催化剂床层停留时间越短，氨净值越低。（）10.合成塔开车导气前，必须通过开工电炉将床层温度升至催化剂起始活性温度以上，防止反应无法启动造成温度持续下跌。（）11.合成系统弛放气的主要成分为氨、氢、氮、甲烷和氩，一般需回收氨和氢后再作为燃料使用。（）12.铁基催化剂还原过程中，出水应遵循“温度平稳、出水均匀”的原则，避免出水速率过快造成反复氧化或局部超温。（）13.合成反应放出的热量除用于预热进塔气体实现自热运行外，多余热量可通过废热锅炉回收副产蒸汽。（）14.催化剂还原过程中遵循“提温不提压、提压不提温”的操作原则，避免温度、压力同时上升导致还原速率过快失控。（）15.正常生产中，氢氮比失调仅影响反应速率，不会造成床层温度大幅波动。（）四、简答题（共4题，每题10分）1.简述传统熔铁基氨合成催化剂的主要组分及各组分的作用。2.以30MPa中压合成氨流程为例，简述合成回路的基本工艺流程。3.简述铁基催化剂升温还原的操作阶段划分、各阶段控制要点及还原质量判断标准。4.简述合成催化剂床层温度异常波动的常见原因及对应处置方法。五、案例计算题（共1题，15分）某30MPa中压合成氨装置装填A110-2型熔铁催化剂40m³，正常操作工况下空速为24000h⁻¹（标态），进塔气体摩尔组成为：H₂63%、N₂21%、CH₄10%、Ar3%、NH₃3%；出塔气体氨含量为15%（摩尔分数），催化剂生产强度达到45t/(m³·d)。已知氨合成反应中每生成1molNH₃，混合气体总物质的量减少1mol，标准状态下气体摩尔体积为22.4L/mol，氨的摩尔质量为17g/mol。（1）计算该正常工况下的氨净值；（2）通过物料衡算计算该装置的小时产氨量；（3）若装置运行3年后，催化剂因高温烧结、毒物累积活性衰退，相同操作压力、空速、入口氨含量条件下，出塔氨含量降至13%，假设反应速率与氨净值呈线性关系，若要维持原有产氨能力，估算需补充多少立方米的同类型催化剂（忽略空速、温度变化对反应的影响）。参考答案一、单项选择题1.B2.C3.A4.B5.B6.B7.B8.A9.B10.B11.C12.B13.B14.C15.B16.B17.C18.C19.A20.B二、多项选择题1.ABCD2.ABC3.ABCD4.ABCD5.ABCD6.ABCD7.ABC8.ABC9.ABCD10.ABCD三、判断题1.×2.√3.×4.×5.√6.×7.√8.×9.√10.√11.√12.√13.√14.√15.×四、简答题（答题要点）1.（1）主体组分：还原前以尖晶石结构的Fe₃O₄为主体，控制Fe²⁺/Fe³⁺在0.4~0.6之间，还原后生成多孔海绵状α-Fe，是催化反应的核心活性组分，可高效实现氮分子的解离吸附与氨的合成。（2分）（2）结构性促进剂：Al₂O₃，添加量2%~4%，还原过程中不被还原，均匀分散在α-Fe微晶间隙形成物理阻隔，抑制高温下微晶烧结长大，维持催化剂高比表面积与多孔结构，提升热稳定性。（2分）（3）电子型促进剂：K₂O，添加量0.5%~1.5%，碱金属K电子逸出功低，可向铁表面转移电子，降低氮分子解离吸附活化能，同时抑制氨在催化剂表面的强吸附，加快产物脱附，提升本征活性。（2分）（4）助熔型促进剂：CaO、MgO，CaO可降低催化剂熔融制备温度，促进各促进剂均匀分散，提升催化剂机械强度与抗毒能力；MgO可拓宽催化剂活性温度区间，增强耐热性能。（2分）（5）结构稳定剂：少量SiO₂，中和熔融过程中的碱性杂质，进一步提升催化剂机械强度与结构稳定性。（2分）2.30MPa中压合成回路流程分为6个核心单元：（1）新鲜气补入：来自精炼工段的合格氢氮气（总硫<0.1ppm，CO+CO₂<10ppm，氢氮比≈3:1）经压缩机加压至30~32MPa，经油分除油后进入循环回路。（1分）（2）气体冷却与氨分离：循环气与新鲜气混合后进入冷交换器管程，被壳程低温气体预冷至10~20℃，再进入氨冷器被液氨蒸发制冷冷却至-5~0℃，气氨大部分冷凝为液氨；气液混合物进入氨分离器分离液氨，液氨减压后送液氨储槽。（3分）（3）气体循环加压：氨分顶部导出的未反应气体（含少量氨、惰性气）进入冷交换器壳程，与进塔气体换热复热至30~40℃，进入循环压缩机加压补偿回路阻力损失。（2分）（4）合成反应：加压后的循环气分为两路，一路作为冷副线直接进塔调节入口温度，另一路经塔内换热器预热至380~400℃后进入催化剂床层，在400~520℃、铁基催化剂作用下发生氨合成反应，控制热点温度460~480℃。（2分）（5）热量回收：出塔高温反应气（450~480℃，氨含量15%~17%）经塔内换热器换热降温至300℃左右，依次进入废热锅炉副产1.3~2.5MPa饱和蒸汽、软水加热器加热锅炉给水，温度降至100℃以下回到冷交换器完成循环。（1分）（6）惰性气控制：在氨分后惰性气浓度最高位置排放少量弛放气，控制回路CH₄+Ar含量在12%~18%，弛放气经水洗回收氨、变压吸附回收氢后作为燃料使用。（1分）3.升温还原分为4个阶段：（1）升温干燥阶段：常温升至300℃，升温速率30~40℃/h，空速3000~5000h⁻¹，压力3~5MPa，脱除催化剂物理吸附水，保证升温均匀，避免热应力损伤。（2分）（2）还原初期：床层温度300~400℃，升温速率5~10℃/h，氢含量逐步提至60%~70%，空速5000~8000h⁻¹，压力5~8MPa，控制水汽浓度<1g/m³，出水速率<2kg/(t·h)，防止已还原催化剂被水汽氧化。（2分）（3）还原主期：床层温度400~480℃，此阶段出水量占总出水量70%以上，升温速率10~15℃/h，氢含量提至70%~75%，压力8~10MPa，空速8000~10000h⁻¹，水汽浓度最高不超过3g/m³，热点温度达470~480℃后恒温，保证下层催化剂还原充分。（2分）（4）还原末期：累计出水量接近理论值（200~230kg/t催化剂）时，逐步提压至操作压力，调整氢氮比至正常范围，低负荷试运行。（1分）质量判断标准：①累计出水量达到理论出水量的95%以上；②床层同平面温差<5℃，温度分布均匀；③相同工况下氨净值达到设计值的90%以上；④床层阻力在设计范围内，无明显粉化。（3分）4.床层温度异常波动的常见原因及处置：（1）新鲜气成分波动：氢氮比失调、CO/CO₂超标、惰性气含量过高。处置：联系前端工段调整氢氮比至2.5~2.9范围；毒物超标时适当降低负荷、提高床层温度，待原料气合格后恢复负荷；调整弛放气排放量，将惰性气控制在指标范围内。（3分）（2）调节机构故障：冷副线阀门卡涩、循环机防喘振阀误动造成循环量大幅波动。处置：小幅稳定调节，联系仪表检修故障阀门，循环量不足时及时降低新鲜气补入量，防止床层超温。（2分）（3）氨分离效果差：氨冷器液位异常、冰机故障导致氨冷温度升高，进塔氨含量上升、反应速率下降。处置：调整氨冷器液位至1/2~2/3范围，联系冰机岗位降低氨蒸发温度