1.合成氨的工藝流程
(1)原料氣制備 將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對於固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態烴類和石腦油，工業中利用二段蒸汽轉化法制取合成氣。
(2)凈化 對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以及氣體精制過程。
① 壹氧化碳變換過程
在合成氨生產中，各種方法制取的原料氣都含有CO，其體積分數壹般為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。變換反應如下：
CO+H2OH→2+CO2 =-41.2kJ/mol 0298HΔ
由於CO變換過程是強放熱過程，必須分段進行以利於回收反應熱，並控制變換段出口殘余CO含量。第壹步是高溫變換，使大部分CO轉變為CO2和H2；第二步是低溫變換，將CO含量降至0.3%左右。因此，CO變換反應既是原料氣制造的繼續，又是凈化的過程，為後續脫碳過程創造條件。
② 脫硫脫碳過程
各種原料制取的粗原料氣，都含有壹些硫和碳的氧化物，為了防止合成氨生產過程催化劑的中毒，必須在氨合成工序前加以脫除，以天然氣為原料的蒸汽轉化法，第壹道工序是脫硫，用以保護轉化催化劑，以重油和煤為原料的部分氧化法，根據壹氧化碳變換是否采用耐硫的催化劑而確定脫硫的位置。工業脫硫方法種類很多，通常是采用物理或化學吸收的方法，常用的有低溫甲醇洗法(Rectisol)、聚乙二醇二甲醚法(Selexol)等。
粗原料氣經CO變換以後，變換氣中除H2外，還有CO2、CO和CH4等組分，其中以CO2含量最多。CO2既是氨合成催化劑的毒物，又是制造尿素、碳酸氫銨等氮肥的重要原料。因此變換氣中CO2的脫除必須兼顧這兩方面的要求。
壹般采用溶液吸收法脫除CO2。根據吸收劑性能的不同，可分為兩大類。壹類是物理吸收法，如低溫甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。壹類是化學吸收法，如熱鉀堿法，低熱耗本菲爾法，活化MDEA法，MEA法等。 4
③ 氣體精制過程
經CO變換和CO2脫除後的原料氣中尚含有少量殘余的CO和CO2。為了防止對氨合成催化劑的毒害，規定CO和CO2總含量不得大於10cm3/m3(體積分數)。因此，原料氣在進入合成工序前，必須進行原料氣的最終凈化，即精制過程。
目前在工業生產中，最終凈化方法分為深冷分離法和甲烷化法。深冷分離法主要是液氮洗法，是在深度冷凍(<-100℃)條件下用液氮吸收分離少量CO，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100cm3/m3以下的氫氮混合氣，深冷凈化法通常與空分以及低溫甲醇洗結合。甲烷化法是在催化劑存在下使少量CO、CO2與H2反應生成CH4和H2O的壹種凈化工藝，要求入口原料氣中碳的氧化物含量(體積分數)壹般應小於0.7%。甲烷化法可以將氣體中碳的氧化物(CO+CO2)含量脫除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，並且增加了惰性氣體CH4的含量。甲烷化反應如下：
CO+3H2→CH4+H2O =-206.2kJ/mol 0298HΔ
CO2+4H2→CH4+2H2O =-165.1kJ/mol 0298HΔ
(3)氨合成 將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產品的工序，是整個合成氨生產過程的核心部分。氨合成反應在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，由於反應後氣體中氨含量不高，壹般只有10%~20%，故采用未反應氫氮氣循環的流程。氨合成反應式如下：
N2+3H2→2NH3(g) =-92.4kJ/mol
2.合成氨的催化機理
熱力學計算表明，低溫、高壓對合成氨反應是有利的，但無催化劑時，反應的活化能很高，反應幾乎不發生。當采用鐵催化劑時，由於改變了反應歷程，降低了反應的活化能，使反應以顯著的速率進行。目前認為，合成氨反應的壹種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學吸附，使氮原子間的化學鍵減弱。接著是化學吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最後氨分子在表面上脫吸而生成氣態的氨。上述反應途徑可簡單地表示為：
xFe + N2→FexN
FexN +〔H〕吸→FexNH
FexNH +〔H〕吸→FexNH2
FexNH2 ＋〔H〕吸FexNH3xFe+NH3
在無催化劑時，氨的合成反應的活化能很高，大約335 kJ/mol。加入鐵催化劑後，反應以生成氮化物和氮氫化物兩個階段進行。第壹階段的反應活化能為126 kJ/mol～167 kJ/mol，第二階段的反應活化能為13 kJ/mol。由於反應途徑的改變（生成不穩定的中間化合物），降低了反應的活化能，因而反應速率加快了。
3.催化劑的中毒
催化劑的催化能力壹般稱為催化活性。有人認為：由於催化劑在反應前後的化學性質和質量不變，壹旦制成壹批催化劑之後，便可以永遠使用下去。實際上許多催化劑在使用過程中，其活性從小到大，逐漸達到正常水平，這就是催化劑的成熟期。接著，催化劑活性在壹段時間裏保持穩定，然後再下降，壹直到衰老而不能再使用。活性保持穩定的時間即為催化劑的壽命，其長短因催化劑的制備方法和使用條件而異。
催化劑在穩定活性期間，往往因接觸少量的雜質而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現象稱為催化劑的中毒。壹般認為是由於催化劑表面的活性中心被雜質占據而引起中毒。中毒分為暫時性中毒和永久性中毒兩種。例如，對於合成氨反應中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。但利用純凈的氫、氮混合氣體通過中毒的催化劑時，催化劑的活性又能恢復，因此這種中毒是暫時性中毒。相反，含P、S、As的化合物則可使鐵催化劑永久性中毒。催化劑中毒後，往往完全失去活性，這時即使再用純凈的氫、氮混合氣體處理，活性也很難恢復。催化劑中毒會嚴重影響生產的正常進行。工業上為了防止催化劑中毒，要把反應物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，是壹個重要的課題。
4.我國合成氨工業的發展情況
解放前我國只有兩家規模不大的合成氨廠，解放後合成氨工業有了迅速發展。1949年全國氮肥產量僅0.6萬噸，而1982年達到1021.9萬噸，成為世界上產量最高的國家之壹。
近幾年來，我國引進了壹批年產30萬噸氮肥的大型化肥廠設備。我國自行設計和建造的上海吳涇化工廠也是年產30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產中能量損耗低、產量高，技術和設備都很先進。
5.化學模擬生物固氮的研究
目前，化學模擬生物固氮的重要研究課題之壹，是固氮酶活性中心結構的研究。固氮酶由鐵蛋白和鉬鐵蛋白這兩種含過渡金屬的蛋白質組合而成。鐵蛋白主要起著電子傳遞輸送的作用，而含二個鉬原子和二三十個鐵和硫原子的鉬鐵蛋白是絡合N2或其他反應物（底物）分子，並進行反應的活性中心所在之處。關於活性中心的結構有多種看法，目前尚無定論。從各種底物結合物活化和還原加氫試驗來看，含雙鉬核的活性中心較為合理。我國有兩個研究組於1973—1974年間，不約而同地提出了含鉬鐵的三核、四核活性中心模型，能較好地解釋固氮酶的壹系列性能，但其結構細節還有待根據新的實驗結果精確化。
國際上有關的研究成果認為，溫和條件下的固氮作用壹般包含以下三個環節：
①絡合過程。它是用某些過渡金屬的有機絡合物去絡合N2，使它的化學鍵削弱；②還原過程。它是用化學還原劑或其他還原方法輸送電子給被絡合的N2，來拆開N2中的N—N鍵；③加氫過程。它是提供H+來和負價的N結合，生成NH3。
目前，化學模擬生物固氮工作的壹個主要困難是，N2絡合了但基本上沒有活化，或絡合活化了，但活化得很不夠。所以，穩定的雙氮基絡合物壹般在溫和條件下通過化學還原劑的作用只能析出N2，從不穩定的雙氮絡合物還原制出的NH3的量相當微少。因此迫切需要從理論上深入分析，以便找出突破的途徑。
固氮酶的生物化學和化學模擬工作已取得壹定的進展，這必將有力地推動絡合催化的研究，特別是對尋找催化效率高的合成氨催化劑，將是壹個有力的促進。
[編輯本段]生產方法
生產合成氨的主要原料有天然氣、石腦油、重質油和煤（或焦炭）等。
①天然氣制氨。天然氣先經脫硫，然後通過二次轉化，再分別經過壹氧化碳變換、二氧化碳脫除等工序，得到的氮氫混合氣，其中尚含有壹氧化碳和二氧化碳約0.1％～0.3％（體積），經甲烷化作用除去後，制得氫氮摩爾比為3的純凈氣，經壓縮機壓縮而進入氨合成回路，制得產品氨。以石腦油為原料的合成氨生產流程與此流程相似。
②重質油制氨。重質油包括各種深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料氣，生產過程比天然氣蒸氣轉化法簡單，但需要有空氣分離裝置。空氣分離裝置制得的氧用於重質油氣化，氮作為氨合成原料外，液態氮還用作脫除壹氧化碳、甲烷及氬的洗滌劑。
③煤（焦炭）制氨。隨著石油化工和天然氣化工的發展，以煤（焦炭）為原料制取氨的方式在世界上已很少采用，但隨著能源格局的變化，現在煤制氨又被重視起來，外國主要是粉煤氣化技術發展很快，國內則轉向型煤制氣技術已非常成熟。
用途 氨主要用於制造氮肥和復合肥料，氨作為工業原料和氨化飼料，用量約占世界產量的12％。硝酸、各種含氮的無機鹽及有機中間體、磺胺藥、聚氨酯、聚酰胺纖維和丁腈橡膠等都需直接以氨為原料。液氨常用作制冷劑。
貯運 商品氨中有壹部分是以液態由制造廠運往外地。此外，為保證制造廠內合成氨和氨加工車間之間的供需平衡，防止因短期事故而停產，需設置液氨庫。液氨庫根據容量大小不同，有不冷凍、半冷凍和全冷凍三種類型。液氨的運輸方式有海運、駁船運、管道運、槽車運、卡車運。
制堿法 壹、聯合制堿法
(侯氏制堿法)
NH3+CO2+H20+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓ (NaHCO3 因溶解度較小,故為沈澱,使反應得以進行)
2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O ("="上應有加熱的符號)
其要點是在索爾維制堿法的濾液中加入食鹽固體，並在30 ℃～40 ℃下往濾液中通入氨氣和二氧化碳氣，使它達到飽和，然後冷卻到10℃以下，根據 NH4Cl 在常溫時的溶解度比 NaCl 大，而在低溫下卻比 NaCl 溶解度小的原理，結晶出氯化銨(壹種化肥)，其母液又可重新作為索爾維制堿法的制堿原料。
此法優點：保留了氨堿法的優點，消除了它的缺點，使食鹽的利用率提高到 96 ％； NH4Cl 可做氮肥；可與合成氨廠聯合，使合成氨的原料氣 CO 轉化成 CO2 ，革除了 CaCO3 制 CO2 這壹工序。
碳酸鈉用途非常廣泛。雖然人們曾先後從鹽堿地和鹽湖中獲得碳酸鈉，但仍不能滿足工業生產的需要。
1862年，比利時人索爾維（Ernest Solvay 1838—1922）發明了以食鹽、氨、二氧化碳為原料制取碳酸鈉的“索爾維制堿法”（又稱氨堿法）。此後，英、法、德、美等國相繼建立了大規模生產純堿的工廠，並組織了索爾維公會，對會員以外的國家實行技術封鎖。
第壹次世界大戰期間，歐亞交通梗塞。由於我國所需純堿都是從英國進口的，壹時間，純堿非常缺乏，壹些以純堿為原料的民族工業難以生存。1917年，愛國實業家範旭東在天津塘沽創辦了永利堿業公司,決心打破洋人的壟斷，生產出中國的純堿。他聘請正在美國留學的侯德榜先生出任總工程師。
1920年，侯德榜先生毅然回國任職。他全身心地投入制堿工藝和設備的改進上，終於摸索出了索爾維法的各項生產技術。1924年8月,塘沽堿廠正式投產。1926年，中國生產的“紅三角”牌純堿在美國費城的萬國博覽會上獲得金質獎章。產品不但暢銷國內，而且遠銷日本和東南亞。
針對索爾維法生產純堿時食鹽利用率低，制堿成本高，廢液、廢渣汙染環境和難以處理等不足，侯德榜先生經過上千次試驗，在1943年研究成功了聯合制堿法。這種方法把合成氨和純堿兩種產品聯合生產，提高了食鹽利用率，縮短了生產流程，減少了對環境的汙染，降低了純堿的成本。聯合制堿法很快為世界所采用。
侯氏制堿法的原理是依據離子反應發生的原理進行的，離子反應會向著離子濃度減小的方向進行。也就是很多初中高中教材所說的復分解反應應有沈澱，氣體和難電離的物質生成。他要制純堿（Na2CO3），就利用NaHCO3在溶液中溶液中溶解度較小，所以先制得NaHCO3。再利用碳酸氫鈉不穩定性分解得到純堿。要制得碳酸氫鈉就要有大量鈉離子和碳酸氫根離子，所以就在飽和食鹽水中通入氨氣，形成飽和氨鹽水，再向其中通入二氧化碳，在溶液中就有了大量的鈉離子，銨根離子，氯離子和碳酸氫根離子，這其中NaHCO3溶解度最小，所以析出，其余產品處理後可作肥料或循環使用。
二、氨堿法
1862年，比利時人索爾維（Ernest Solvay,1832-1922）以食鹽、氨、二氧化碳為原料，制得了碳酸鈉，是為氨堿法（ammomia soda process）。
反應分三步進行：
NH3+CO2+H2O===NH4HCO3
NH4HCO3+NaCl===NaHCO3+NH4Cl
2NaHCO3===Na2CO3+CO2 +H2O
反應生成的CO2可以回收再用，而NH4Cl又可以與生石灰反應，產生NH3，重新作為原料使用：2NH4Cl+CaO===2NH3+CaCl2+H2O
氨堿法使生產實現了連續性生產，食鹽的利用率得到提高，產品質量純凈，因而被稱為純堿，但最大的優點還在於成本低廉。1867年索爾維設廠制造的產品在巴黎世界博覽會上獲得銅制獎章，此法被正式命名為索爾維法。此時，純堿的價格大大下降。消息傳到英國，正在從事路布蘭法制堿的英國哈琴森公司取得了兩年獨占索爾維法的權利。1873年哈琴森公司改組為蔔內門公司，建立了大規模生產純堿的工廠，後來，法、德、美等國相繼建廠。這些國家發起組織索爾維公會，設計圖紙只向會員國公開，對外絕對保守秘密。凡有改良或新發現，會員國之間彼此通氣，並相約不申請專利，以防泄露。除了技術之外，營業也有限制，他們采取分區售貨的辦法，例如中國市場由英國蔔內門公司獨占。由於如此嚴密的組織方式，凡是不得索爾維公會特許權者，根本無從問津氨堿法生產詳情。多少年來，許多國家要想探索索爾維法奧秘的廠商，無不以失敗而告終。消息傳到英國，正在從事路布蘭法制堿的英國哈琴森公司取得了兩年獨占索爾維法的權利。1873年哈琴森公司改組為蔔內門公司，建立了大規模生產純堿的工廠，後來，法、德、美等國相繼建廠。