合成氨是一种重要的化工过程，它指的是由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。合成氨是合成硝酸的前提，而硝酸对农业、工业、国防军工矿业等意义重大。有了合成氨工业，世界各国生产硝酸的能力就基本相同了，否则这些行业将受到原材料硝酸盐矿的影响，容易被某些国家扼住咽喉。这一成就不仅在化学工业中占有一席之地，还在国民经济和社会发展中发挥着重要作用人工合成氨的发明不仅显著提高了农业生产效率，解决了工业和国防的重要原料需求，还在国际竞争中发挥了关键作用，对人类社会的发展产生了深远的影响。以下是对合成氨的详细科普：

一、合成氨的基本原理

反应式：N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃（该反应为可逆反应，等号上方反应条件为“高温高压”，下方为“催化剂”）。

反应机理：首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH₂和NH₃，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。

反应条件：高温高压和催化剂的存在是合成氨的必要条件。热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。

二、合成氨的工艺流程

合成氨的工艺流程主要包括原料气制备、净化和氨合成三个主要步骤。

原料气制备：

原料主要有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。通过气化、蒸汽转化等方法制取含H₂和CO等组分的煤气。

净化：

除去气体中的灰尘、H₂S、有机硫化物、CO、CO₂等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的氮氢混合气。

主要包括变换过程（将CO转化为CO₂和H₂）、脱硫脱碳过程（脱除气体中的硫和碳的氧化物）和气体精制过程（进一步净化原料气）。

氨合成：

将净化后的氮氢混合气压缩至高压（一般大于15MPa），并在催化剂的作用下进行合成反应，生成氨。

反应后的气体经过冷却、分离等步骤，得到液氨产品，未反应的氮氢气则循环使用。

三、合成氨的用途

生产化肥：氨是生产氮肥和复合肥料的重要原料，如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥。据统计，约有80%的氨用于生产化学肥料。

工业原料：氨在工业中作为重要的无机化学和有机化学工业基础原料，被广泛应用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成塑料以及含氮无机盐等工业部门。

制冷剂：氨在制冷行业中被用作制冷剂，尤其在冷库设备中广泛使用。

四、合成氨的发展历史

合成氨工业自诞生以来经历了发明阶段、推广阶段、原料结构变迁阶段、大型化阶段和节能降耗阶段。其中，德国化学家哈伯在1909年成功实现了氨的工业化合成，这是合成氨工业史上的一个重要里程碑。随着科学技术的不断发展，合成氨技术也在不断进步和完善。