Ammonia được tổng hợp từ phản ứng giữa khí nitrogen và khí hydrogen được biểu diễn bằng phương trình hoá học sau: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g). Đây là phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt. Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chaterlie, muốn cho cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành ammonia, cần phải hạ nhiệt độ và tăng áp suất. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ thấp quá thì phản ứng xảy ra rất chậm và nếu áp suất cao quá thì đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và phức tạp. Trên thực tế, người ta thường thực hiện phản ứng ở nhiệt độ khoảng 450 – 500°C, áp suất khoảng 200 – 300 atm và dùng chất xúc tác là sắt kim loại được hoạt hóa bằng hỗn hợp Al₂O₃ và K₂O để làm cho cân bằng nhanh chóng được thiết lập. Ở các điều kiện như trên, hiệu suất chuyển hóa thành NH₃ cũng chỉ đạt tới 20 – 25%.

Hình 1. Sơ đồ thiết bị tổng hợp amoniac trong công nghiệp.

Hỗn hợp khí N₂ và H₂ (tỷ lệ mol 1 : 3) được nén ở áp suất cao và đưa vào tháp tổng hợp (hình 1). Trong tháp này, ammonia được tạo thành ở các điều kiện nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác thích hợp đã nêu ở trên. Hỗn hợp khí đi ra từ tháp tổng hợp (gồm có N₂, H₂ và NH₃) được dẫn đến tháp làm lạnh. Ở đây, khí ammoniahóa lỏng và được tách riêng ra, còn hỗn hợp khí N₂ và H₂ chưa phản ứng được đưa trở lại tháp tổng hợp, việc đưa trở lại này làm tăng hiệu suất chung của quá trình tổng hợp NH₃ trong công nghiệp đạt đến gần 100%.

Hiệu suất của quá trình tổng hợp NH₃ trong công nghiệp thường đạt gần 100%. Yếu tố nào sau đây quyết định đến hiệu suất tổng hợp NH₃ trong công nghiệp cao như vậy?