一、装置简介
合成氨是氮肥的基础原料，而氮肥是农业生产不可或缺的生产资料。氨是重要的化工原料，通过与不同的元素化合可以生产胺（重要的有机化工原料）、苯胺（重要的染料原材料）、酞胺（重要的抗生素原料）、硝酸（重要的军事工业原材料）等。在合成的生产过程中，其副产品如一氧化碳、硫等也可成为其他化工产品的原材料。简单地说，合成氨的生产原理就是把氮气和氢气按一定比例混合组成的原料气，在一定的温度、压力条件和催化剂作用下进行化合而成。根据采用的原料不同以及采用的合成方法不同，合成氨的生产工艺有很多种。就目前的大型合成氨装置所采用的原材料来源来说，有气体原料（包括天然气、炼厂干气等）、液体原料（包括轻质液态烃和重质液态烃）、固体原料（例如煤）。就合成工艺来说，目前常用的有Topsoe 工艺、Braun 工艺、ICI工艺等。不同类型的原材料和不同的生产工艺，采用的生产流程和生产参数有较大的差别。这里以气体原料＋Braun工艺为例介绍。
二、典型合成氨装置的工艺及特点
以燃料气为原料的合成氨工艺，主要分为脱硫、转化、变换、净化、压缩与合成、冷冻共六个环节。
1. 脱硫
由于硫对后续工序中的催化剂有害，因此对原料气进行脱硫的目的是将原料气中的硫含量脱除至一定含量以下。原料气先经过压缩机加压，然后逐步换热进入加氢转化器，在催化剂的作用下原料气中的各种有机硫与氢气反应生成硫化氢，然后进入脱硫槽内通过氧化锌将硫化氢脱除。
2. 转化
转化就是将烃类气体与水蒸气、空气（为合成气提供氮），在一定的条件下化合生成氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等混合气体的过程。其中，混合气体中会残留甲烷不凝气。常用的转化方法（美国凯洛格法）分为两段转化，分别为蒸汽转化和部分氧化转化。典型的合成氨转化工序的工艺流程如图2.32所示。脱硫后的气态烃与中压蒸汽混合，进入一段转化炉预热段加热，然后进入辐射段，在催化剂的作用下进行转化反应。一段转化的反应流出物中含残存甲烷，需要进一步进行转化，即将一段反应流出物引入二段转化炉，与空气和蒸汽的混合物在二段转化炉内燃烧，进一步将甲烷脱除。三段转化炉的反应流出物先进入废热锅炉，副产蒸汽，然后逐渐冷却送到变换工序。
3. 变换
变换的目的是将转化后的反应流出物（粗原料气）中的一氧化碳与水蒸气进行反应，以达到把一氧化碳变换成二氧化碳并进行脱除。常用的变换工艺是将来自转化工序的粗原料，与中压蒸汽混合后进入高温变换炉并在催化剂的作用下进行变换，进入低温变换炉做进一步变换。
4. 净化
净化的目的是脱除粗原料气中的二氧化碳，并使其一氧化碳和二氧化碳的总含量降低。净化通常分两步进行。第一步是采用吸收解吸的方法（例如，苯菲尔溶液吸收法）脱除大量的二氧化碳，此工艺过程也常称为脱碳。由于一氧化碳和二氧化碳会造成合成氨催化剂的中毒，所以还需要第二步，即利用甲烷化的方法进一步对粗原料气中的二氧化碳和一氧化碳进行脱除。此工艺过程也常称为甲烷化过程。第一步净化工艺类似于炼油装置的酸性水汽提，其工艺流程示意图如图2.33所示。解吸出来的二氧化碳将作为尿素装置的原料送到尿素生产装置。第二步净化是利用一定的工艺条件（压力取决于净化压力），并在催化剂的作用下使原料气中的一氧化碳和二氧化碳与氢气化合成甲烷，从而达到脱除一氧化碳和二氧化碳的目的。
5. 压缩与合成
净化后的原料气在高温、高压条件和催化剂的作用下化合成氨气。典型的氨合成工艺流程示意图如图2.34所示。原料气经压缩机一级压缩后，再与循环气汇合进行二级压缩。经逐次换热后，送入第一合成塔进行合成反应。合成塔底部出来的合成气（含氨气、氢气、氮气、甲烷、氮气等），经过废热锅炉（用于副产蒸汽）降热后进入第二合成塔、第三合成塔，逐次再进行合成反应。从第三合成塔出来的合成气经过逐次降温，进入分离器。分离器顶部出来的循环气（含氢气、氮气、甲烷、氦气和少量的氨气等），经换热后循环利用。分离器底部出来的液氨经降压后送入冰机氨罐。
6. 冷冻
合成工段出来的液氨最后被送至冷冻工段，经气化和压缩（冰机），得到成品液氨。成品液氨可送至储罐或用户。
三、介质特点
合成氨生产装置中含有许多具有特殊性质的介质，包括一氧化碳、二氧化碳、氢气、硫化氢、氨和高温氮气。一氧化碳常态下是一种无色、无臭、无味气体，比空气略轻，在水中的溶解度甚低，但易溶于氨水，主要表现为一氧化碳在血中与血红蛋白结合而造成组织缺氧，被GB 5044列为高度危害介质。
氨标准状态下沸点为-33.35℃，临界温度为132.4℃，标准状态下凝固温度为-77.7℃，氨在常温、常压下为具有特殊性恶臭的无色有毒气体，比空气轻。在常压下，冷却到143℃或在148℃加压到1.0MPa，氨可凝结为液体（称为液氨）。液氨气化时吸收大量的热，所以氨可用作制冷剂。氨是极性分子，易溶于极性溶剂如水或酒精中。在常温下，1 体积水约可溶解700体积氨。氨的水溶液叫做氨水。氨在常温下稳定，但是在高温下可分解成氢和氮。液氨易引起碳钢和低合金钢的应力腐蚀开裂（ASCC）。
四、合成氨装置的配管设计
主要是对塔、罐、泵、反应器等设备的配管设计。
