2025年合成氨工藝操作考試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.合成氨工藝中，新鮮氣經(jīng)壓縮后進(jìn)入合成塔前需經(jīng)過的關(guān)鍵預(yù)處理步驟是（）。A.脫硫脫碳B.脫氧干燥C.甲烷化精制D.一氧化碳變換答案：C解析：合成氨原料氣經(jīng)變換、脫硫脫碳后，仍含少量CO、CO?，需通過甲烷化精制（反應(yīng)式：CO+3H?→CH?+H?O，CO?+4H?→CH?+2H?O）將其轉(zhuǎn)化為甲烷，避免催化劑中毒。2.鐵基合成氨催化劑的活性組分是（）。A.Fe?O?B.α-FeC.Fe?O?D.FeO答案：B解析：鐵基催化劑以磁鐵礦（Fe?O?）為母體，還原后生成具有活性的α-Fe，同時添加Al?O?、K?O等助催化劑提高活性和熱穩(wěn)定性。3.合成塔觸媒層熱點溫度控制范圍通常為（）。A.300-350℃B.450-550℃C.600-650℃D.700-750℃答案：B解析：合成氨反應(yīng)為放熱可逆反應(yīng)，溫度過低反應(yīng)速率慢，過高平衡轉(zhuǎn)化率下降。工業(yè)上鐵基催化劑最佳活性溫度為450-550℃，熱點溫度需在此范圍內(nèi)調(diào)控。4.氨合成系統(tǒng)壓力突然升高，最可能的原因是（）。A.循環(huán)機(jī)轉(zhuǎn)速提高B.合成塔出口氨分離器液位過低C.新鮮氣補(bǔ)入量增加D.放空氣量增大答案：C解析：系統(tǒng)壓力由氣體凈積累量決定，新鮮氣補(bǔ)入量增加會導(dǎo)致系統(tǒng)壓力上升；循環(huán)機(jī)轉(zhuǎn)速提高會增加循環(huán)量但不改變總壓；氨分離器液位過低可能導(dǎo)致帶液，但不直接影響壓力；放空氣量增大則會降低壓力。5.氨冷器操作中，氣氨出口溫度過低（＜-35℃）的主要危害是（）。A.增加冷凍功耗B.導(dǎo)致液氨帶水C.造成設(shè)備低溫脆裂D.降低氨分離效率答案：C解析：液氨蒸發(fā)溫度與壓力相關(guān)（如0.1MPa下沸點-33.4℃），若氣氨出口溫度過低，可能使設(shè)備材料（如普通碳鋼）在低溫下韌性下降，引發(fā)脆裂事故。6.合成塔入口氣體中，惰性氣體（Ar、CH?）含量應(yīng)控制在（）。A.1%-3%B.5%-15%C.20%-25%D.30%以上答案：B解析：惰性氣體不參與反應(yīng)，積累會降低氫氮分壓，影響轉(zhuǎn)化率。工業(yè)上通常控制在5%-15%，通過放空氣系統(tǒng)維持平衡。7.氫氮比（H?/N?）偏離3:1時，對合成反應(yīng)的影響是（）。A.反應(yīng)速率和平衡轉(zhuǎn)化率均下降B.反應(yīng)速率上升但平衡轉(zhuǎn)化率下降C.反應(yīng)速率下降但平衡轉(zhuǎn)化率上升D.無顯著影響答案：A解析：根據(jù)動力學(xué)和熱力學(xué)，氫氮比為3:1時反應(yīng)速率最大；偏離此比例會導(dǎo)致有效碰撞減少（速率下降），同時平衡常數(shù)降低（轉(zhuǎn)化率下降）。8.合成氨裝置緊急停車時，首先應(yīng)執(zhí)行的操作是（）。A.切斷新鮮氣補(bǔ)入B.停止循環(huán)機(jī)C.開啟系統(tǒng)泄壓閥D.關(guān)閉氨冷器液氨進(jìn)口閥答案：A解析：緊急停車時需快速切斷原料輸入，避免系統(tǒng)超壓；循環(huán)機(jī)停止可能導(dǎo)致催化劑床層溫度驟降，需在切斷氣源后逐步操作；泄壓和關(guān)氨冷器閥為后續(xù)步驟。9.液氨儲槽的設(shè)計壓力應(yīng)至少為（）。A.1.6MPaB.2.5MPaC.4.0MPaD.10.0MPa答案：C解析：液氨在常溫（25℃）下飽和蒸氣壓約1.0MPa，但考慮溫度波動（如夏季35℃時約1.5MPa）及安全裕度，設(shè)計壓力通常取4.0MPa（GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)要求）。10.以下哪種情況會導(dǎo)致合成塔催化劑永久失活？（）A.短期超溫（580℃）B.少量水蒸汽帶入C.硫化氫（H?S）持續(xù)泄漏D.系統(tǒng)短暫停車（＜2小時）答案：C解析：H?S會與α-Fe反應(yīng)生成FeS，覆蓋活性位點且無法通過還原再生，導(dǎo)致永久失活；超溫可能燒結(jié)催化劑（可逆失活），水蒸汽可通過干燥恢復(fù)，短暫停車不會破壞結(jié)構(gòu)。二、填空題（每空1分，共20分）1.合成氨反應(yīng)方程式為：（），該反應(yīng)為（）熱、（）體積反應(yīng)。答案：N?+3H??2NH?（催化劑，高溫高壓）；放；減2.合成塔內(nèi)件按結(jié)構(gòu)分為（）、（）、（）三種類型，其中（）型內(nèi)件因氣體分布均勻、阻力小應(yīng)用最廣。答案：軸向；徑向；軸徑向；軸徑向3.氨分離的主要設(shè)備有（）和（），前者利用（）原理分離，后者利用（）原理分離。答案：氨分離器；氨冷器；重力沉降；冷凝4.循環(huán)氣中氨含量過高會導(dǎo)致（），通?？刂坪铣伤肟诎焙浚迹ǎ?（體積分?jǐn)?shù)）。答案：催化劑活性下降；35.鐵基催化劑還原過程的關(guān)鍵控制參數(shù)是（）和（），還原終點判斷依據(jù)是（）。答案：溫度；水汽濃度；出口氣體中H?O含量＜0.1g/m36.合成系統(tǒng)壓力由（）、（）和（）共同決定，正常操作中通過（）調(diào)節(jié)壓力。答案：新鮮氣補(bǔ)入量；放空氣量；氨冷凝量；放空氣閥7.液氨泵的常見故障包括（）和（），處理措施分別為（）和（）。答案：氣蝕；密封泄漏；降低入口溫度或提高入口壓力；更換密封件三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述合成塔觸媒層溫度波動的主要原因及調(diào)節(jié)措施。答案：原因：①新鮮氣流量或成分（H?/N?、惰性氣）波動；②循環(huán)氣流量變化（循環(huán)機(jī)轉(zhuǎn)速、閥門開度）；③氨冷器制冷效果變化（液氨液位、蒸發(fā)壓力）；④催化劑活性下降（中毒或老化）。調(diào)節(jié)措施：①穩(wěn)定新鮮氣流量，控制氫氮比3:1±0.1；②調(diào)整循環(huán)機(jī)轉(zhuǎn)速或循環(huán)閥開度，維持循環(huán)量穩(wěn)定；③調(diào)節(jié)氨冷器液氨進(jìn)口閥，控制出口氣氨溫度（-25~-30℃）；④若催化劑活性下降，需提溫操作或計劃更換。2.分析合成氨系統(tǒng)氫氮比失調(diào)的危害及預(yù)防措施。答案：危害：①氫氮比＞3時，H?過量導(dǎo)致反應(yīng)速率下降（H?吸附抑制N?吸附），同時增加循環(huán)氣中H?含量，需增大放空氣量，氫氣損失增加；②氫氮比＜3時，N?過量導(dǎo)致催化劑表面N?覆蓋過多，反應(yīng)速率降低，平衡轉(zhuǎn)化率下降。預(yù)防措施：①嚴(yán)格控制造氣工序的H?/N?（通過調(diào)節(jié)煤氣發(fā)生爐空氣/蒸汽比例）；②設(shè)置在線氣體分析儀（色譜或熱導(dǎo)儀）實時監(jiān)測循環(huán)氣成分；③發(fā)現(xiàn)失調(diào)時，通過調(diào)節(jié)變換工序的CO變換率（改變H?生成量）或補(bǔ)充氮?dú)?氫氣（需設(shè)置緩沖罐）快速糾正。3.簡述氨冷器操作中“液泛”的現(xiàn)象、原因及處理方法。答案：現(xiàn)象：氨冷器氣氨出口帶液（管道振動、流量計波動），液位計顯示滿量程但實際液位異常，合成塔入口氨含量升高。原因：①液氨進(jìn)口量過大（超過蒸發(fā)能力）；②氣氨出口閥開度太小（蒸發(fā)空間不足）；③循環(huán)氣流量突然增大（攜帶液滴能力增強(qiáng)）。處理方法：①減小液氨進(jìn)口閥開度，降低液位至50%-70%；②開大氨冷器氣氨出口閥，降低系統(tǒng)背壓；③若循環(huán)氣流量波動，聯(lián)系壓縮工序穩(wěn)定流量；④檢查氨冷器內(nèi)部列管是否堵塞（必要時停車清洗）。4.合成氨裝置長期停車時，為何需要對催化劑進(jìn)行鈍化處理？鈍化操作的關(guān)鍵步驟是什么？答案：原因：還原態(tài)α-Fe在空氣中會劇烈氧化放熱（甚至自燃），損壞催化劑和設(shè)備。鈍化處理通過緩慢氧化在催化劑表面形成致密Fe?O?膜，隔絕空氣。關(guān)鍵步驟：①降溫至150℃以下（避免氧化反應(yīng)過熱）；②引入少量空氣（O?含量＜0.5%），控制床層溫升＜10℃/h；③逐步提高O?濃度至20%，直至出口O?含量與入口一致（鈍化完成）；④鈍化后用氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)，防止殘留氧氣。5.列舉合成氨工藝中可能發(fā)生的三種安全事故，并說明其預(yù)防措施。答案：①氨泄漏中毒：預(yù)防措施為定期檢查管道、閥門密封（使用肥皂水試漏），設(shè)置氨濃度報警器（閾值30ppm），操作人員佩戴防毒面具。②合成塔超壓爆炸：預(yù)防措施為設(shè)置安全閥（起跳壓力≤設(shè)計壓力1.1倍），安裝壓力變送器聯(lián)鎖（超壓時自動切斷新鮮氣），定期校驗儀表。③催化劑床層飛溫：預(yù)防措施為控制新鮮氣中CO+CO?＜10ppm（避免反應(yīng)放熱異常），設(shè)置溫度聯(lián)鎖（超溫時開啟冷激閥注入冷氣），定期檢測催化劑活性（通過氨凈值判斷）。四、計算題（每題10分，共20分）1.某合成氨裝置新鮮氣流量為10000Nm3/h，組成（體積%）：H?74.5%、N?24.8%、Ar0.5%、CH?0.2%。循環(huán)氣流量為50000Nm3/h，組成（體積%）：H?68%、N?22.5%、Ar7%、CH?2.5%、NH?0.0%。合成塔出口氣體中NH?含量為15%（體積%），求氨合成率（以單程通過合成塔的H?轉(zhuǎn)化率表示）。答案：①計算合成塔入口氣體總流量：新鮮氣+循環(huán)氣=10000+50000=60000Nm3/h。②入口氣體中H?總量：60000×(10000×74.5%+50000×68%)/(10000+50000)=60000×(7450+34000)/60000=41450Nm3/h。③入口氣體中N?總量：60000×(10000×24.8%+50000×22.5%)/60000=2480+11250=13730Nm3/h。④根據(jù)反應(yīng)式N?+3H?→2NH?，理論上H?與N?反應(yīng)比例為3:1，實際參與反應(yīng)的N?量受限于H?或N?的最小值。入口H?/N?=41450/13730≈3.02:1（接近3:1），可認(rèn)為完全按比例反應(yīng)。⑤出口氣體中NH?含量15%，設(shè)反應(yīng)生成NH?為2xNm3/h，則消耗H?3x，消耗N?x。出口氣體總量=入口總量-3x-x+2x=60000-2x。NH?含量=2x/(60000-2x)=15%→2x=0.15×(60000-2x)→2x=9000-0.3x→2.3x=9000→x≈3913Nm3/h。⑥H?轉(zhuǎn)化量=3x≈11739Nm3/h，入口H?總量41450Nm3/h。氨合成率=11739/41450×100%≈28.3%。2.某合成塔操作壓力為15MPa，入口溫度420℃，出口溫度500℃，循環(huán)氣流量為45000Nm3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。已知合成氨反應(yīng)熱為-46.2kJ/mol（25℃，1atm），忽略氣體熱容變化（平均定壓熱容Cp=30kJ/(kmol·K)），計算合成塔的反應(yīng)放熱量（單位：MJ/h）。答案：①循環(huán)氣流量換算為kmol/h：45000Nm3/h÷22.4Nm3/kmol≈2008.9kmol/h。②氣體升溫吸熱量：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反應(yīng)放熱量=Q吸（因合成塔絕熱，反應(yīng)放熱用于氣體升溫）。但需驗證：若反應(yīng)生成NH?量為ykmol/h，反應(yīng)放熱Q放=y×46.2kJ/mol=46200ykJ/h。氣體升溫吸熱量=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2molNH?，總物質(zhì)的量減少2mol），實際工業(yè)中出口氨含量約15%，計算得y≈(2008.9×15%)/(1+15%)≈262kmol/h，與上述不符，說明假設(shè)絕熱不完全。正確計算應(yīng)考慮：實際反應(yīng)放熱量=氣體吸熱量+熱損失（假設(shè)熱損失為10%），則Q放=4821.36MJ/h÷0.9≈5357MJ/h（答案取近似值5360MJ/h）。五、案例分析題（20分）某合成氨裝置正常生產(chǎn)時，DCS顯示合成塔入口壓力14.8MPa（設(shè)定值15.0MPa），出口壓力14.2MPa（正常壓差0.5-0.7MPa），觸媒層熱點溫度520℃（設(shè)定值500±10℃），氨冷器氣氨出口溫度-28℃（正常-25~-30℃）。1小時后，操作人員發(fā)現(xiàn)：①合成塔入口壓力升至15.5MPa；②出口壓力降至13.8MPa（壓差1.7MPa）；③熱點溫度升至540℃；④氨冷器氣氨出口溫度降至-32℃；⑤循環(huán)機(jī)電流由120A升至145A（額定電流150A）。問題：1.分析上述異?，F(xiàn)象的可能原因。2.提出應(yīng)急處理措施。答案：1.可能原因分析：①壓差異常增大（正常0.5-0.7MPa→1.7MPa）：合成塔內(nèi)件或催化劑床層堵塞（如催化劑粉化、結(jié)碳、惰性物積累），導(dǎo)致氣體流通阻力增加。②入口壓力升高、出口壓力降低：堵塞導(dǎo)致系統(tǒng)前壓升高、后壓降低，循環(huán)機(jī)需克服更大阻力，電流上升（電流與壓差成正比）。③熱點溫度升高：氣體流速降低（循環(huán)量減少），反應(yīng)放熱無法及時帶出，床層溫度累積升高。④氨冷器出口溫度降低：合成塔出口氨含量可能升高（因反應(yīng)時間延長，轉(zhuǎn)化率提高），氨冷器需冷凝更多氨，液氨蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致氣氨出口溫度下降；或氨冷器列管部分堵塞，換熱面積減少，為維持制冷效果需降低蒸發(fā)壓力（溫度降低）。2.應(yīng)急處理措施：①立即降低新鮮氣補(bǔ)入量（減少系統(tǒng)壓力上升趨勢），同時聯(lián)系壓縮工序穩(wěn)定循環(huán)機(jī)轉(zhuǎn)速（避免超電流跳車）。②開啟合成塔冷激閥（若有），注入低溫循環(huán)氣