氨合成

氨合成

ammonia synthesis

指合成氨原料气（氮氢混合气）在高温、高压和催

化剂存在下直接合成为氨的工艺过程。这是放热、缩小体积的可逆反应，温度、压力对此反应

的化学平衡有影响。当混合气中氢氮摩尔比为3时,氨平

衡含量随着温度降低、压力增加而提高。但在较低温度

下，氨合成的反应速度十分缓慢，需采用催化剂来加快

反应。由于受到所用催化剂活性的限制，温度不能过低，

因此为提高反应后气体中的氨含量，氨合成宜在高压下

进行。当工业上用铁催化剂时,压力大多选用15.2～30.4

MPa(150～300atm)，即使在这样压力条件下操作，每次

也只有一部分氮气和氢气反应为氨，故氨合成塔出口气

体的氨浓度通常为10％～20％（体积）。决定反应的主

要因素是铁催化剂的活性，反应所产生的氨与氮气、氢

气的分离以及氮、氢气的循环使用。

铁催化剂的活性 氨合成采用添加有助催化剂的铁

催化剂。助催化剂的成分有氧化钾、 氧化铝、 氧化镁、

氧化钙、氧化钴等。开工前铁催化剂组成可

看作四氧化三铁(见金属氧化物催化剂)，它对氨合成反应没有催化作用，

开工操作时需用氢气将它还原成金属铁才有活性。

不同还原条件下得到的催化活性有很大差异。正常生产

时，铁催化剂常因氮氢混合气中含有少量硫化合物、碳

的氧化物等气体而降低活性，通常规定一氧化碳和二氧

化碳不超过10ppm（体积）。铁催化剂的寿命(见催化剂

寿命)与其制造质量、使用条件有密切关系,短的1～2年，

长的可达8～9年。

氨的分离 氨合成的单程转化率不高，为了取得产

品氨，需将氨气从氨合成塔出口气中分离出来。工业上

通常用两种方法:①冷凝法,利用氨的临界温度比氮、氢

高的特点，只需把含氨混合气冷却，其中的氨即可从气

态冷凝成液态。温度越低，冷凝的氨越多。工业生产都

采用产品液氨作制冷剂。为了节省制冷剂用量，混合气

先用水冷却。②吸收法，利用氨气在水中的溶解度比氮、

氢气大的性质，在高压下用水吸收，制成浓氨水。从浓

氨水制取液氨尚需经过氨水精馏、氨气冷凝等步骤，消

耗热能较多，工业上已很少采用。但近年利用有机溶剂

吸收氨的研究，已取得了进展。

回路流程 为使氨合成塔出口气中的氮、氢气在氨

气分离以后能继续循环利用，采用回路流程，以便返回

到氨合成塔。此法的保证条件是：①不断补充新鲜氮氢

混合气进入回路；②从氨合成塔出口气中分离氨；③为

补偿回路气体压力损失而设置循环气压缩机；④回收利

用氨合成反应热；⑤为避免新鲜氮氢混合气中少量甲烷

和氩等惰性气体在回路中积累过多，必须排放适量的循

环气。为此，设计有多种回路流程。

早期氨合成流程多采用往复式压缩机，反应热未加

利用。出塔气体先经水冷却，一部分氨被冷凝，再进入

氨分离器。为降低循环气中甲烷、氩的含量，出氨分离

器后的气体要少量放空,大部分则进入循环气压缩机,补

充压力后进入滤油器，新鲜氮氢混合气也在此加入。混

合后气体通过冷交换器内上部的换热器与分离液氨后的

循环气体换热，然后在氨冷凝器中冷却到0℃以下,使大

部分氨冷凝并返回冷交换器内下部的分离器，在此分离

出液氨。分离氨后的气体去上部换热器，被加热到20～

30℃进氨合成塔，从而完成一个循环。

现代氨合成流程采用离心式压缩机（见彩图从尾气

中回收能量的三级透平气体压缩机、年产 300kt合成

氨厂的氮氢气透平压缩机），可以回收反应热（见图

现代氨合成流程）。出塔气体先经过锅炉给水预热器，

回收一部分热能后再通过换热器，将进塔的气体加热到

130～140℃。出塔气体进一步通过水冷却器，冷交换器，

第一、第二氨冷凝器,冷却到0℃以下，大部分氨冷凝下

来。在氨分离器中将液氨分离后，循环气经冷交换器进

入压缩机，与新鲜气混合，再经换热，最后进入氨合成

塔。如此循环操作，进行生产。为了回收循环气中弛放

的氢气，近年来工业上开发了膜分离、变压吸附和深冷

分离（见深度冷冻）三种方法，有的氨厂已经采用。

（陈五平）