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2合成氨装置控制系统设计
2.1 合成氨基本原理
合成氨工艺流程中最为关键的部分就是氨的合成，是合成氨工厂的最后一道工序。它的目标是在高温、高压、催化剂存在的条件下，将经过精制氢气、氮气合成为氨，反应完成后混合气体中氨含量一般为10%—20%；将反应结束得到的混合气体中的氨在氨分离器中进行分离，可产出液氨；将分离出来的尚未反应的气体循环再利用等。因此合成氨工艺一般采用循环法。
就现在状况来说，原料气进行合成都是在很高的温度、压力条件下实施的。装置、管道所用材料由于要在高温、高压的环境下进行工作，所以要求较高。但是随之而来的问题又有装置构造繁杂、制造难度高等；特别是所处环境有着较高的压力，压缩原料气时需要损耗很多的能量。于是人们开始尝试减少压力，使用在低压环境（3.0~6.0MPa）下仍有较高活性的合成氨催化剂。若人们在此方面有所突破，那么合成氨产业的成本将大幅度地减小。
2.1.1 反应特点
N2（g）+3H2（g） 2NH3（g） (2.1)
反应条件是高温、高压、催化剂，这是一个可逆放热反应。
2.1.2 化学反应速率
影响合成氨反应速率的因素有如下几个：
（1） 压力
当温度与气体的构成一定时，增加压力可提高正反应的速率、减低逆反应速率，从而随着压力的不断增加，合成氨反应速率将会越来越快。
（2） 温度
合成氨反应为在高温、高压、催化剂条件下的可逆放热反应，过高的温度可以提高反应速率，但也会破坏化学反应平衡。故需要一个最适宜温度。所谓的最适宜温度，就是在特定的条件下（如压力、催化剂和气体构成），在可逆放热反应中，可以使该反应系统的反应速率达到最大的温度。此温度便是所谓的该条件下的最适宜温度[5]。在最适宜温度下，混合气其中有着最高的氨含量，并且其反应速率达到最大。因此，合成氨反应在实际操作时，应尽可能地使最适宜温度成为该反应的实际反应温度或尽可能地使实际反应温度接近最适宜温度。
随着温度的上升，反应平衡时氨含量越来越少，这不利于在平衡时得到更多的氨；而在一开始，温度越高，反应速率也会随之增加，最大值大约是在525℃，之后随着温度的进一步上升，受到化学反应平衡的影响，反应速率不再上升，而是逐步下降[6]。因此随着温度的上升，合成氨反应的速率会先升高再降低。
（3） 氢氮比
合成氨反应达到平衡状态时，氢氮比为3:1，混合气中有着最大的氨含量。但是当氢氮比为3:1时，我们得到的并不是最快的反应速率。在反应的初期，最优氢氮比为1:1，能得到此时最大的反应速率，随着反应的不断进行，氨含量不断上升，最佳氢氮比也随之增加，当反应趋于平衡时，最优氢氮比应为3:1。
（4） 惰性气体含量
在合成氨总压力不变的情况下，若混合气中含有惰性气体，则会减少氢气、氮气的有效分压，也就是减少了反应的总压力。此外，在温度、压力、氨含量、氢氮比一定时，惰性气体含量越高，正向反应的速率就越小，逆向反应的速率就越大，所以，惰性气体含量约大，总反应速率反而越低。
（5） 催化剂内表面利用率
所谓的催化剂内表面利用率就是反应组分从催化剂外表面向内表面的扩散速率与反应组分的理论反应速率之比[6]。催化剂内表面利用率越高，合成氨反应速率越快。一般情况下，随着催化剂粒度的增加，催化剂内表面利用率会大幅地减少；随着温度的上升，催化剂内表面利用率会随之减少；氨含量越高，催化剂内表面利用率越大。而催化剂的粒度是这么多因素中，影响最为显著且又易于调整的。故应用小颗粒催化剂可以有效地提高催化剂内表面利用率。
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