【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
【资料图】
第五章氮和磷，氮族元素
§5-5氨的工业制法
【01】工业上氨是利用氮气跟氢气的化合反应来制取的，叫做氨的合成法。合成氨所用的原料是普遍存在的水、空气和煤。它是利用游离氮制取化合态氮的主要方法。由于工农业生产对氨以及其他氮的化合物的需要（如氮肥、硝酸等）日益增长，因此，合成氨工业目前已经是化学工业里的一个极重要的部门了。
【02】从上节我们已经知道，氮跟氢化合成氨的反应是一个可逆反应：
【03】并且由于反应放热和生成的气体体积缩小的缘故，从化学平衡的理论上来看，增加压强和降低温度，会使化学平衡向生成氨的方向移动。但在实际生产上，温度不可过低，因过低温度就会使反应速度很慢，到达化学平衡的时间就拖延得很长，这样对生产是没有好处的；压强也不可过高，否则对生产设备和操作技术上都会带来一定的困难。因此在合成氨工业里，反应是在适当的温度和压强，并有催化剂存在的条件下进行的。目前一般采用450~530℃的温度，200~320大气压，用还原铁为催化剂，其中加入少量氧化钾K₂O和氧化铝Al₂O₃等以增强铁的催化作用。
【04】以上是合成氨的反应原理，而合成过程仅是全部生产过程的一部分，在它之前有原料的准备过程；在它之后有生产品的处理过程等部分。全部生产的流程可用简图表示如下（见图5·5）。其中可划分成三个阶段：即(1)氮气和氢气的制取，混和，净化并增大压强；(2)氨的合成；(3)使氨液化和分离。现分述于下：
1、氮气和氢气的制取，混和，净化并增大压强
【05】氮气一般可以通过蒸发液态空气的方法制得（参看§5-1）【山注，化2-5-01第08段，传送门CV21729057】。氢气通过从水煤气中分离出氢的方法来制得（参看第一册§3-7一氧化碳工业制法）【山注，化1-3-07，传送门CV20580226】。这样制得的氮气与氢气，常含有CO、CO₂、H₂S、水蒸气等杂质，必须把它们清除掉，否则这些杂质会使合成氨所用的催化剂“中毒”失效或腐蚀设备。这个过程叫做原料的净化。净化后的氮气和氢气，按氮气1体积，氢气3体积的比混和后导入压缩机压缩，以加大压强。然后把混和气体通入合成塔。
2.氨的合成
【06】氨的合成是在合成塔里进行的。合成塔是一个能耐高压的厚壁圆形钢筒（图5·6）【这个合成塔已比较陈旧，目前已改进】，它主要由二部分组成。上面一部分是接触室，装有粒状的催化剂；下面一部分是热交换器。
【07】氮、氢混和气体先通入热交换器进行预热，然后就在接触室里反应生成氨。由于合成氨是个放热反应，反应时放出的热量足以使以后进入的氮、氢混和气体达到反应所需要的温度，同时接触室也能经常保持450~530°C的温度，所以不需再由外界供给热量。
【08】从接触室里出来的气体的温度很高，通过热交换器的管子，被从塔外新导入的混和气体所冷却；同时亦将这些新导入的混和气体预热，进行热量的交换。
【09】如果进入接触室的氮、氢混和气体里的杂质已经全部清除掉，那末催化剂就可连续使用若干年，反应就能连续进行。合成塔里反应混和物的进行路线，如图5·6中箭头所示。
3、氨的液化和分离
【10】从合成塔里出来的混和气体，通常约含15%的氨，其余是未起反应的氮气和氢气。必须把生成的氨分离开来，然后再把未起反应的氮气和氢气重新导入合成塔去。
【11】分离氨的方法是根据氨气比氮气和氢气容易液化的性质，把混和气体先通入一个冷却器使氨液化，再通过一个分离器。把液态氨分离出来，然后导入液氨储桶储存。未被液化的氮气和氢气，可以用一个循环压缩机送回到合成塔去。这种使未起反应的物质从反应后的生成物里分离出来，并送回到反应器里去的工艺过程，叫做循环操作过程。利用循环操作过程，可以充分地利用原料来制取所需要的生成物，以弥补在可逆反应达到平衡后，反应混和物里生成物含量不多的缺点。
习题5-5
1、工业上合成氨时，为什么必须要在适当的温度和适当的压强并有催化剂存在的情况下进行？目前在实际生产时的具体条件怎样？
2、画出合成氨生产的流程简图，并解答下列各问题：
(1)各个设备的名称是什么？并用箭号表示设备之间的通路。在各个通路上写上进出物质的名称和这些物质的状态。
(2)热交换器装在哪一个设备里？为什么要有热交换器？
(3)使用分离器的目的何在？为什么在分离器前要用一个冷却器？
(4)用作原料的氮与氢为什么必须净化？又为什么要使用循环操作的工艺过程？
3、把1体积的氮气跟3体积的氢气混和后通入氨的合成塔。由塔里排出的混和气体里含12%的氨（体积），计算氮气和氢气的体积百分含量。【N₂22%，H₂66%】
4、生产100吨肥田粉（硫酸铵），问需要用氨和98%的硫酸各多少吨？【25.75吨（NH₃），75.75吨（98%的H₂SO₄）】