氨合成概述
氨合成的定義
氨合成：英文名（ammonia synthesis），指合成氨原料氣（氮氫混合氣）在高溫、高壓和催化劑存在下直接合成為氨的工藝過程。
反應方程式為：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)
氫氣是合成氨生産過程中的主要原料，是氨合成的有效氣體成分。在合成氨生産過程中提高氫氣利用率,是降低生産成本最有效、最便捷的方式。
氨合成的工藝流程
氨合成反應是放熱、縮小體積的可逆反應，溫度、壓力對此反應的化學平衡有影響。當混合氣中氫氮摩爾比為3時，氨平衡濃度随着溫度降低、壓力增加而提高。但在較低溫度下，氨合成的反應速度十分緩慢，需采用催化劑來加快反應。由于受到所用催化劑活性的限制，溫度不能過低，因此為提高反應後氣體中的氨含量，氨合成宜在高壓下進行。當工業上用鐵催化劑時，壓力大多選用15.2～30.4MPa(150～300atm)，即使在這樣壓力條件下操作，每次也隻有一部分氮氣和氫氣反應為氨，因此氨合成塔出口氣體中氨濃度通常為10%～20%（體積）。決定反應的主要因素是鐵催化劑的活性，反應所産生的氨與氮氣、氫氣的分離以及氮、氫氣的循環使用。
反應催化劑
鐵催化劑的活性氨合成采用添加有助催化劑的鐵催化劑。助催化劑的成分有氧化鉀、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化钴等。開工前鐵催化劑的主要成分為四氧化三鐵(見金屬氧化物催化劑)，它對氨合成反應沒有催化作用，投用前需用氫氣将其還原成金屬鐵才有活性。不同還原條件下得到的催化活性有很大差異。正常生産時，鐵催化劑常因氮氫混合氣中含有少量硫化合物、碳的氧化物等氣體而降低活性，通常規定一氧化碳和二氧化碳不超過10ppm（體積）。鐵催化劑的壽命(見催化劑壽命)與其制造質量、使用條件有密切關系，短的1～2年，長的可達8～9年。
氨的分離
氨合成的單程轉化率不高，為了獲得産品氨，需将氨氣從氨合成反應器出口氣體中分離出來。工業上通常用兩種方法：
①冷凝法：利用氨的臨界溫度比氮、氫高的特點，隻需把含氨混合氣冷卻，其中的氨即可從氣态冷凝成液态。溫度越低，冷凝的氨越多。工業生産都采用産品液氨作制冷劑。為了節省制冷劑用量，混合氣先用水冷卻。
②吸收法：利用氨氣在水中的溶解度比氮、氫氣大的性質，在高壓下用水吸收，制成濃氨水。從濃氨水制取液氨尚需經過氨水精餾、氨氣冷凝等步驟，消耗熱能較多，工業上已很少采用。
循環流程
為使氨合成反應器出口氣中的氮、氫氣在氨氣分離以後能繼續循環利用，采用循環流程，以便返回到氨合成反應器。此法的保證條件是：
①不斷補充新鮮氮氫混合氣進入循環回路；
②從氨合成反應器出口氣體中分離氨；
③為補償循環回路氣體壓力損失設置循環氣壓縮機；
④回收利用氨合成反應熱；
⑤為避免新鮮氮氫混合氣中少量甲烷和氩等惰性氣體在回路中積累過多，必須排放适量的循環氣。
為此，設計有多種回路流程。早期氨合成流程多采用往複式循環壓縮機，反應熱未能充分利用。反應器出口氣體先經水冷卻，一部分氨被冷凝，再進入氨分離器。為降低循環氣中甲烷、氩的含量，出氨分離器後的氣體要少量放空，大部分則進入循環氣壓縮機，補充壓力後進入濾油器，新鮮氮氫混合氣也在此加入。
反應器出口氣體通過冷交換器内上部的換熱器與分離液氨後的循環氣體換熱，然後在氨冷凝器中冷卻到0℃以下,使大部分氨冷凝并返回冷交換器内下部的分離器，在此分離出液氨。分離氨後的氣體去上部換熱器，被加熱到20～30℃進氨合成塔，從而完成一個循環。
現代合成工藝
現代氨合成流程采用離心式循環壓縮機。反應器出口氣體先經過鍋爐給水預熱器，回收一部分熱能後再通過換熱器，将反應器入口氣體加熱到130～140℃。再通過水冷卻器，冷交換器，第一、第二氨冷凝器,冷卻到0℃以下，大部分氨冷凝下來。在氨分離器中将液氨分離後，循環氣經冷交換器進入壓縮機，與新鮮氣混合，再經換熱，最後進入氨合成反應器。如此循環操作，進行生産。為了回收循環氣中弛放的氫氣，近年來工業上開發了膜分離、變壓吸附和深冷分離三種方法，有的氨廠已經采用。
