工业上氨是利用氮气跟氢气的化合反应来制取的,叫做氨的合成法.合成氨所用的原料是普遍存在的水、空气和煤它是利用游离氮制取化合态氮的主要方法.由由于工农业生产对氨以及其他氮的化合物的需要(如氮肥、硝酸等)目益增长,因此,合成氨工业目前已经是化学工业里的一个极重要的部门了。

    从上节我们已经知道,氮眼氢化合成氨的反应是一个可逆反应：

N2+3H2<=>2NH3+22千卡.

    并且由于反应放热和生成的气体体积缩小的缘故,从化学平衡的理论上来看,增加压强和降低温度,会使化学平衡向生成氨的方向移动.但在实际生产上,温度不可过低,因过低温度就会使反应速度很慢,到达化学平衡的时间就拖延得很长,这样对生产是没有好处的;压强也不可过高,否则对生产设备和操作技术上都会带来一定的困难,因此在合成氨工业里,反应是在适当的温度和压强,并有催化剂存在的条件下进行的.目前一般采用450~530C的温度,200~320大气压,用还原铁为催化剂,其中加入少量氧化钾(K2O)和氧化铝(Al2O3)等以增强铁的催化作用.

    以上是合成氨的反应原理。而合成过程仅是全部生产过程的一部分,在它之前有原料的准备过程;在它之后有生产品的处理过程等部分.全部生产的流程可用筒图表示如下(见图5·5).其中可划分成三个阶段:即(1)氮气和氢气的制取取混和,净化并增大压强;(2)氨的合成;(8)使氨液化和分离,现分述于下:

    1.气和氢气的制取,混和,净化并增大压强氮气一般可以通过蒸发液态空气的方法制得(参看§5·1).氢气通过从水煤气中分离出氢的方法来制得.这样制得的氮气与氢气,常含有CO、CO2、H2S、水蒸气等杂质,必须把它们清除掉,否则这些杂质会使合成氨所用的催化剂“中中毒”失效或腐蚀设备.这个过程叫做原料的净化.净化后的氮气和氢气,按氮气1体积,氢气3体积的比混和后导入压缩机压缩,以加大压强.然后把混和气体通入合成塔。
   

 2.氨的合成氨的合成是在合成塔里进行的,合成塔是一个能耐高压的厚壁圆形钢筒(图5.6)①,它主要由二部分组成,上面部分是接触室,装有粒状的催化剂下面一部分是热交換器。

    氮、氢混和气体先通入热交换器进行预热,然后就在接触室里反应生成氨.由于合成氨是个放热反应,反应时放出的热量足

以使以后进入的氮、氢混和气体达到反应所需要的温效带三度,同时接触室也能经常保持450530°C的温度,所以不需再由外界供给热量。

   从接触室里出来的气体的温度很高通过热交换器的管子,被从塔外这个合合成已比较陈旧,目前已改进进新导入的混和气体所冷却;同时亦将这些新导入的混和和气体预热,进行热的交换。

    如果进入接触室的氮、氢混和气体里的杂质已经全部清除掉,那末催化剂剂就可连续使用若干年,反应就能连续进行.合成塔里反应混和物的进行路线,如图5·6中箭头所示。

    3.氨的液化和分离从合成塔里出来的混和气体,通常约含15%的氨,其余是未起反应的氮气和氢气.必须把生成的氨分离开来,然后再把未起反应的氮气和氢气重新导入合成塔去.

    分离氨的方法是根据氨气比氮气和氢气容易液化的性质,把混和气体先通入一个冷却器使氨液化,再通过一个分离器.把液态氨分离出来,然后导入液氨储桶储存.未被液化的氮气和氢气,可以用一个循环压缩机送回到合成塔去.这种使未起反应的物质从反应后的生成物里分离出来,并送回到反应器里去的工艺过程,叫做循环操作过程.利用循环操作过程,可以充分地利用原料来制取所需要的生成物,以弥补在可逆反应达到平衡后,反应混和物里生成物含量不多的缺点。