合成氨的方法和流程

氨是由什么组成的?氨是一种无机化合物，由下列元素组成:氢和氮。氨水中氮与氢的比例为1:3，氨的分子式为NH3。

氨在工业生产之前就已经存在了;它是一种自然存在的化合物，是由土壤中的一些细菌捕获空气中的氮并将其转化为氨而形成的。氨是通过生物分解产生的，比如枯萎的植物和腐烂的动物。在工业过程发展之前，氨的主要来源是有机物。

氨合成是由氢气和氮气结合生产氨的过程。生产出来的大部分氨被用作肥料，尽管它也可以用于其他用途，比如制造炸药。这一过程是20世纪初在德国发展起来的。

大气中充满了氮气，但它是不活泼的，通常不与其他元素结合。制取氨的基本策略，NH3，是在高温高压下，将氢气H2和氮气N2结合。从化学上讲，这是一个困难的反应，因此需要一种试剂来加速这个过程。

20世纪初，德国发明了氨合成技术。

催化剂是一种使反应进行得更快的化合物。在氨合成中，使用的催化剂一般是铁。使用的铁是还原磁铁矿。还有其他化学物质可以用作催化剂，但铁是最常见的。

氢气的来源通常是天然气，也称为甲烷，CH4。介绍了氨合成的基本工艺。在合成氨厂还有许多其他步骤。硫化合物首先通过与氧化锌反应从天然气中除去，氧化锌转化为硫化锌。这就剩下了游离的甲烷，甲烷再经过几次转化生成氢气。

使用的温度约为400°C，使用的压力小于最佳的反应。出于安全考虑，使用的压力约为200个大气压。在此条件下，产率约为10-20%。当混合物离开反应堆时，它被冷却，这样氨就会变成液体。热量被捕获并重新用于加热进入的气体。

这种氨合成方法被称为哈伯法，因为它是由德国化学家弗里茨·哈伯发明的，他开发了化学反应的条件。20世纪初，他在含氮化肥短缺的情况下研制出了氨。当时德国需要为第一次世界大战制造炸药。目前，全世界都在大规模生产氨。

另一种制备反应所需氢的方法是电解水。电解利用电来分解化合物。在这种情况下，水被分解成氢和氧。这已经与水力发电厂的电力生产结合起来了。早在1911年，电解水就被用来为合成氨提供氢气。

有些微生物能够利用空气中的氮气生产氨。这个过程叫做固氮。在这种情况下，催化剂是称为固氮酶的复合酶。进行这一过程的细菌生活在豆科植物的根部，如豌豆。固氮显著改善了许多土壤的养分状况。

如前所述，氨是一种无机分子，由三个氢和一个氮组成。氢是氨中的主要元素之一。问题是，氢分子是如何分离和得到的? 传统的制氢方法有两种，分别是电解水和甲烷与蒸汽的反应。

水的电解

电解水是利用电流将水分子分解为氢分子和氧分子的方法。很简单，水分子被分解成氧和氢。这种生产方法使用电解槽，电解槽是由电解液、阳极和阴极组成的单元。每个电解槽都有独特的功能，但最终，它们都提供了相同的结果——水分子的分解。

在聚合物电解质膜电解槽(PEM)中，采用塑料固体作为电解液。本单元的内容如下:

水在阳极形成质子(带正电的氢离子)和氧。

质子到达阴极(氧气留在阳极)。

阳极产生的电子通过一个外部电路传到阴极。

质子和电子在阴极上结合形成氢气。

阳极和阴极上的反应。

2H₂O → O₂ + 4H+ + 4e-

4H+ + 4e- → 2H₂

电解水的优点有:

电解水的缺点是:

甲烷与蒸汽的反应

这种生产方法是将最简单的烃类甲烷CH4 与温度从700度到1000度的热水蒸汽反应而成。这个过程发生在非常高的压力下，在300kPa到2500kPa的范围内。反应如下:

CH4 + H_2O + 热量——CO + 3H2

水蒸气和甲烷之间的反应也会产生少量的二氧化碳。这个反应吸热性很强;它需要大量的热量才能发生。一氧化碳被收集起来，在镍或铂等催化剂的存在下与水蒸气发生反应。产生的产物是二氧化碳和更多的氢。

CO + H2O ——CO2 + H2

这种气体混合物经过一个称为变压吸附的过程，这是一种利用压力来分离气体混合物成分的分离技术。氢气被从其他杂质中分离出来，然后收集起来。

甲烷与蒸汽反应的优点是:

氮是氨中的主要元素之一。它可以通过液态空气的分馏或甲烷与空气的反应得到。

液体空气的分馏

压缩空气和所有气体(氮气和氧气除外)被过滤掉。将纯空气混合物的温度设定在氧和氮的液化点以下即可液化。液氮通过分馏从液态空气混合物中分离出来。由于氮的沸点低于氧，氮的占比上升，而氧留在底部。

液气分馏的优点有:

甲烷与空气的反应是放热燃烧反应。甲烷与空气中的氧气发生反应，氧气约占空气的21%。剩下的79%的空气是由氮组成的。当甲烷与空气反应时，它被氧化成二氧化碳。惰性的氮;它不参与反应。

CH4 +空气 ——CO2 + H2O + N2

产品混合物可以经过一个分离步骤，其中氮被收获并从水和二氧化碳中分离出来。

甲烷与空气反应的优点:

甲烷与空气反应的缺点:

反应塔中的化学合成

3 H 2 + N 2 ⇋ 2 NH 3  

氨合成是一种放热反应（负焓变），它在低温下自发发生（负熵变）。尽管它在室温下是有利的，但在室温下发生的反应的反应速率太慢而不能应用于工业规模。为了提高反应动力学以达到目标转化率，需要高压和高温。为了有效地从其主要成分（氢气和氮气）合成氨，反应应在铁基催化剂的辅助下分别在 400-500 ℃和 10-30 MPa 的较高温度和压力下进行。由于三键氮的高解离能 (941 kJ/mol)，需要此条件。

冷却

由于氨的合成反应是一个放热过程，为了得到液氨，需要将化学合成得到的氨气冷却处理。

氨的分离，以及氢氮的回收

当气体离开反应器时，它们是热的并且处于非常高的压力下。只要氨不太热，在压力下很容易液化，因此混合物的温度降低到足以使氨变成液体。即使在这些高压下，氮和氢仍以气体形式存在，并且可以循环使用。