合成氨工艺条件
在氨合成过程中，合成压力是决定其他工艺条件的前提，是决定生产强度和技术经济指标的主要因素。提高操作压力有利于提高平衡氨含量和氨合成反应速率，增加装置的生产能力，有利于简化氨分离流程。但压力高对设备材质及加工制造的技术要求高，同时，高压下反应温度也较高，催化剂的使用寿命缩短。因此，合成压力的选择需要综合权衡。 生产上选择合成压力主要涉及功的消耗，包括高压机功耗、循环气压缩机功耗和冷冻系统压缩功耗。图1为某日产900t氨合成工段功耗随压力变化的关系。可见，提高压力，循环气压缩功耗和氨分离功耗减少，但高压机功耗却大幅度上升。当操作压力在20～30MPa之间时，总功耗最少。实际生产中，中小型合成氨厂采用电动机驱动的往复式高压机，其合成压力在20～32MPa；大型合成氨厂采用蒸汽透平驱动离心式高压机，同时采用低压力降的径向合成塔、装填低温高活性催化剂，其操作压力可降至10～15MPa。氨合成的所需压力的不同，使用高压机类型不同以及驱动高压机的动力和能源种类不同，这是大型氨厂和中小型氨吨氨能耗相差悬殊的主要原因。
二、温度的优化
氨合成反应必须在催化剂的存在下才能进行，而催化剂必须在一定的温度范围内才具有活性，所以氨合成反应温度必须维持在所用催化剂的活性温度范围内。目前工业上使用的铁催化剂的活性温度范围大体在400～550℃之间。
通常，将某种催化剂在一定生产条件下具有最高氨生成率时的温度称为最适宜温度。不同的催化剂具有不同的最适宜温度，而同一
催化剂在不同的使用时期，其最适宜温度也会改变。例如，催化剂在使
图1 功耗与压力的关系
用初期活性较强，反应温度可以低些。催化剂使用中期活性减弱，操作温度要比使用初期提高一些。催化剂使用后期活性衰退，操作温度又要比使用中期再提高一些。此外，最适宜温度还和空速、压力等因素有关。
氨的产率与温度、空速的关系如图2所示。由图可见，在一定的空速下，开始时氨的产率随着温度的升高而增大，达到一个最高点后，温度再升高，氨产率反而下降。从图中还可以看出，不同的空速都有一个最高点，也就是最适宜温度。所以为了获得最大的氨产率，合成氨的反应温度应随空速的增大而相应的提高。在最适宜温度以外，无论是升高或降低温度，氨的产率都会下降。
催化剂床层内温度分布的理想状况应该是降温状态，即进催化剂层的温度高，出催化剂层的温度低。因为刚进入催化剂层的气体中氨含量低，距离平衡又远，可以迅速地进行合成反应以提高含氨 量，因此催化剂层上部温度高就能加快反应速率。当气体进入催化剂层下部，气体中含氨量已增高了，催化剂温度低会降低逆反应速率，从而提高气体中的平衡氨含量。这样，反应速率和反应平衡得到了有利结合，所以能提高总的合成效率。
图2 氨产率与温度和空间速度的关系
在实际生产过程中，受操作条件的种种限制，不能做到氨合成塔内的降温状态。例如，当合成塔入口气体中氨含量为4%时，相应的最适宜温度为653℃，这个值超过了铁催化剂的耐热温度。此外，温度分布递降的合成塔在工艺实施上也不尽合理，它不能利用反应热使反应过程自热进行，还需另加高温热源预热反应气体以保证入口温度。
太原大学学报
在实际生产中，在催化剂床层的前半段不可能按最适宜温度操作，而是使反应气体在能达到催化剂活性温度的前提下进入催化剂层，先进行一段绝热反应，依靠自身的反应热尽可能快的升高温度，以达到最适宜温度。在催化剂层的后半段，按照最适宜温度分布曲线相应地移出热量，使合成反应按最适宜温度曲线进行。
综合以上几个影响因素，通过生产实践得出，氨合成操作温度一般控制在400～500℃（依催化剂类型而定）。
工业生产上，应严格控制催化剂床层的两点温度，即床层入口温度和热点温度。床层入口温度应等于或略高于催化剂活性温度的下限，热点温度应小于或等于催化剂使用温度的上限。气体进入催化剂床层后依靠反应热迅速使床层温度提高，而后温度再逐渐降低。提高催化剂床层入口温度和热点温度，可以使反应过程较好地接近最适宜温度曲线。
三、空速的优化
空间速度指单位时间内通过单位体积催化剂的气体量(标准状态下的体积)。当操作压力、温度及进塔气体组成一定时，对于既定结构的合成塔，增加空速（也就是加快气体通过催化剂床层的速度），这样气体与催化剂接触时间缩短，出塔气中氨含量降低，即氨净值降低。但由于氨净值降低的程度比空间速度的增大倍数要少，所以当空速增加时，氨合成生产强度（单位时间、单位体积催化剂所生产的氨量）有所提高，即氨产量有所增加。若继续增加空速，则气体与催化剂的接触时间进一步缩短，气体来不及在催化剂表面发生反应就离开了催化剂床层，导致出塔气中氨含量大幅下降，氨产量也会降低。
另外，空速增大，还将使系统阻力增大，压缩循环气功耗增加，分离氨所需的冷冻功也增大。同时，单位循环气量的产氨量减少，所获得反应热也相应减少。当单位循环气的反应热降到一定程度时，合成塔就难以维持“自热平衡”，这样就不能正常生产了。
一般操作压力在30MPa左右的中压法合成氨，空速在20000～40000 h-1之间。大型合成氨厂为充分利用反应热、降低功耗及延长催化剂使用寿命，通常采用较低的空速，一般为10000～20000 h-1。
四、合成塔进口气体组成确定
⒈氢氮比
从化学平衡的角度来看，当氢氮比为3时，可获得最大的平衡氨浓度。但从动力学角度分析，最适宜氢氮比随氨含量的不同而变化。在反应初期最适宜氢氮比为1，随着反应的进行，如欲保持反
应速率为最大值，最适宜氢氮比将不断增大，氨含量接近平衡值
时，最适宜氢氮比趋近于3。如果按照反应初期的氢氮比投料，则外科学精品课程
会因为氨合成时氢氮比是按3：1消耗的，导致混合气中的氢氮比将随反应进行而不断减少。若维持氢氮比不变，势必要在反应时不断
补充氢气，这在生产上难以实现。生产实践表明，控制进塔气体的
氢氮比略低于3，如2.8～2.9比较合适。而新鲜气中的氢氮比应控
多向飞碟制在3，以免循环气中的氢氮比不断下降。
⒉惰性气体的含量
惰性气体（CH4、Ar）来自新鲜气，而新鲜气中惰性气体的含量
汉书艺文志
随所用原料和气体净化方法的不同相差很大。惰性气体的存在，对
氨合成反应的平衡氨含量和反应速率的影响都是不利的。由于氨合
成过程中未反应的氢氮混合气需返回氨合成塔循环利用，而液氨产乔治艾略特
品仅能溶解少量惰性气体，因此惰性气体在系统中会逐渐积累。随
着反应的进行，循环气中惰性气体的含量会越来越多。为了保持循
环气中的惰性气体含量一定，目前的工业生产上主要靠放空气量来
控制。
循环气中惰性气体的含量过高和过低都是不利的。惰性气体的
含量过高，则对氨的收率和反应速率都是不利的。过低，则需要大
量排放循环气，导致原料气消耗量增加。
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循环气中惰性气体含量的控制，还与操作压力和催化剂活性有关。操作压力较高及催化剂活性较好时，惰性气体含量可适当控制高一
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