氨是一種非常重要的化工產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要地位。1909年，德國(guó)化學(xué)家哈勃經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)提出了“循環(huán)法”的工業(yè)氨的合成方法，成為至今為止工業(yè)上普遍使用的直接合成方法。

作為一門很復(fù)雜的技術(shù)，合成氨工藝技術(shù)中具有很多門的綜合技術(shù)，包括化工、化學(xué)和物理等，屬于一種非常典型的無(wú)機(jī)化工專業(yè)。

首先以煤合成氨為例，在制取半水煤氣的時(shí)候，要將煤加入到造氣爐內(nèi)，然后將空氣通入，使其不斷的燃燒升溫，這時(shí)候再將蒸汽和空氣間斷的通入進(jìn)去，這樣就能夠使炙熱的碳與蒸汽之間出現(xiàn)反應(yīng)，從而生成 CO 和 H2。在這種情況下會(huì)消耗掉空氣中的 O2，只剩下 H2。在這個(gè)過(guò)程中還會(huì)有一些雜質(zhì)性氣體和粉塵產(chǎn)生，將其中的粉塵去除，將余熱回收，就可以獲得半水煤氣。

其次是凈化原料氣體，在這里主要是脫去半水煤氣的硫，隨后在經(jīng)過(guò)變化之后，脫去氣體中少量的二氧化碳和一氧化碳。

最后是合成氨，在這里主要是利用氨合成熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，并且以物料衡算為根據(jù)，確保氨的含量可以實(shí)現(xiàn)平衡，因此其屬于一種非常典型的工藝流程。一般來(lái)說(shuō)，主要是在合成塔中進(jìn)行氨的合成工藝。

合成氨的化學(xué)反應(yīng)式如下：N2+3H2≈2NH3，其中的主要原料有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)。生產(chǎn)合成氨的主要原料來(lái)源于天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤等。它們合成氨的方法各不相同：

天然氣合成氨：

天然氣合成氨是將天然氣先進(jìn)行脫硫工藝，然后通過(guò)二次轉(zhuǎn)化，再分別經(jīng)過(guò)一氧化碳變換、二氧化碳脫除等，得到的氮?dú)浠旌蠚猓渲写蠹s還含有約0.1%～0.3%(體積)的一氧化碳和二氧化碳，在經(jīng)過(guò)甲烷作用后，可以除去，最終制得摩爾比為3：1的氫氣和氮?dú)饣旌霞儍魵怏w，通過(guò)壓縮機(jī)壓縮，然后進(jìn)入反應(yīng)器合成氨，最終得到所需的成品。與天然氣合成氨流程類似的還有以石腦油為原料的合成氨生產(chǎn)流程。

重質(zhì)油合成氨：

重質(zhì)油范圍比較廣，它包括各種在深度加工后所得的渣油，可以通過(guò)部分氧化的方法，來(lái)得到工業(yè)所需的合成氨的原料氣體，它的生產(chǎn)過(guò)程要沒(méi)有天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法復(fù)雜，但它的生產(chǎn)過(guò)程離不開(kāi)空氣分離裝置。在通過(guò)空氣分離裝置后，制得的氧用于重質(zhì)油氣化，氮作為氨合成原料外，液態(tài)氮有作為洗滌劑，如脫除一氧化碳、甲烷及氬。

煤合成氨：

隨著世界上石油化工和天然氣化工的高速發(fā)展，目前以煤(焦炭)為原料制取氨的方式的工廠成為主流。

一、原料氣體的制備

氫和氮的粗原料氣主要通過(guò)煤和天然氣等原料制備而得。通常情況下，我們采用氣化的方法從固體原料煤和焦炭制取合成氣;采用非催化部分氧化的方法從渣油中獲得合成氣;工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法從氣態(tài)烴類和石腦油中制取合成氣。

二、原料氣體的凈化

由于生成的粗原料氣中含有很多雜質(zhì)氣體，會(huì)影響合成氨的效率和質(zhì)量，這需要進(jìn)行凈化處理，凈化是指除去氫氣和氮?dú)庖酝獾臍怏w，它先后經(jīng)過(guò)一氧化碳變換、脫硫脫碳以及氣體精制等三個(gè)過(guò)程。

1、一氧化碳變換過(guò)程：

在合成氨生產(chǎn)中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分?jǐn)?shù)一般為12%～40%。合成氨需要的兩種組分是H2和N2，因此需要除去合成氣中的CO。由于CO變換過(guò)程是強(qiáng)放熱過(guò)程，必須分段進(jìn)行以利于回收反應(yīng)熱，并控制變換段出口殘余CO含量。

第一步是高溫變換，使大部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2;第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3%左右。因此，CO變換反應(yīng)既是原料氣制造的繼續(xù)，又是凈化的過(guò)程，為后續(xù)脫碳過(guò)程創(chuàng)造條件。

2、脫硫脫碳過(guò)程：

各種原料制取的粗原料氣，都含有一些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產(chǎn)過(guò)程中使催化劑中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法，第一道工序是脫硫，保護(hù)催化劑;以重油和煤為原料的部分氧化法，根據(jù)一氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。

工業(yè)中有很多的脫硫方法，通常是采用物理或化學(xué)吸收的方法，將粗原料氣體經(jīng)過(guò)CO變換以后，除H2外，在變換氣中，還留其他多種氣體，如CO2(最多)、CO和CH4等。而CO2不利的是它會(huì)使氨合成催化劑中毒，益處是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥等離不開(kāi)CO2。因此變換氣時(shí)，脫除CO2必須同時(shí)考慮到這兩方面。

3、氣體精制過(guò)程：

經(jīng)CO變換和CO2脫除后，氣體中雜質(zhì)已經(jīng)很少，但是原料氣還含有少量殘余的CO和CO2氣體。而CO和CO2對(duì)氨合成催化劑如Fe的毒害非常大，尾盡量減少和降低CO和CO2總含量，使其不得大于10cm3/m3(體積分?jǐn)?shù))。因此，原料氣在進(jìn)入合成工序前，必須進(jìn)行原料氣的最終凈化，即精制過(guò)程。

三、氨合成

將純凈的氫、氮混合氣體經(jīng)過(guò)高壓壓縮，在相關(guān)催化劑如鐵的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的最重要的工序，是整個(gè)合成氨生產(chǎn)過(guò)程的核心組成部分。氨合成反應(yīng)必須在較高壓力和催化劑同時(shí)存在的條件下進(jìn)行，由于該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，氣體中氨含量會(huì)維持在一定的比例，一般只有10%～20%，為了加強(qiáng)對(duì)氫氣和氮?dú)獾睦寐?，須將未反?yīng)氫氮?dú)庋h(huán)利用。

1949年前我國(guó)僅有兩家規(guī)模較小的合成氨廠;而建國(guó)后在國(guó)家的鼓勵(lì)和支持下，合成氨工業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)。建國(guó)時(shí)，我國(guó)氮肥年產(chǎn)量很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠國(guó)民農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求;現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，為促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)更好的發(fā)展，我國(guó)必須改進(jìn)和改善合成氨的工藝流程，努力研究新型合成氨的材料和催化劑，為我國(guó)建成二十一世紀(jì)的強(qiáng)國(guó)努力奮斗。

從總體上來(lái)說(shuō)，并不會(huì)有太大的變化出現(xiàn)在未來(lái)合成氨的發(fā)展趨勢(shì)中。未來(lái)合成氨工藝技術(shù)的主要發(fā)展方向就是不斷的降低成本、節(jié)約能源，從而實(shí)現(xiàn)合成氨工藝經(jīng)濟(jì)效益的最大化，隨后以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)集中大型化的生產(chǎn)。

1、在開(kāi)發(fā)合成氨工藝技術(shù)的過(guò)程中合成氣設(shè)備屬于其中最為關(guān)鍵的設(shè)備，其主要用于氨氣合成和合成氣的凈化，同時(shí)還要壓縮合成氣體。

2、在合成氨的時(shí)候“油改氣”為主的調(diào)整技術(shù)屬于最為有效的途徑，在未來(lái)的發(fā)展中必須要采取有效措施使其經(jīng)濟(jì)效益得以有效改善，從而全面的提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這樣在能源短缺的現(xiàn)實(shí)條件下，才能夠選擇更適合的能源取代石油資源。

3、要全面的提升合成氨設(shè)備的自動(dòng)化、大型化和集中化程度，這樣才能夠有效地降低能源消耗。通過(guò)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的利用有效的控制合成氨工藝裝置，同時(shí)還可以對(duì)生產(chǎn)行為和生產(chǎn)目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一。因此合成氨工藝技術(shù)在未來(lái)應(yīng)用的非常重要的一個(gè)趨勢(shì)就是確立自動(dòng)化、集成化以及大型化的生產(chǎn)規(guī)模。

4、要不斷地完善合成氨裝置核心技術(shù)，油改氣的生產(chǎn)模式具有較高的合成氨裝置核心技術(shù)要求，為此，技術(shù)人員必須要與合成氨裝置的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)要求的利用不斷的完善合成氣壓縮機(jī)裝置技術(shù)，從而使合成氨的生產(chǎn)產(chǎn)量得以全面提升。