合成氨原料气净化主要包括一氧化碳变换、脱硫、脱碳、少量一氧化碳脱除、水分干燥。

一氧化碳与水蒸气作用，反应式为：

反应前后的体积不变，但放出热量，所以化学平衡不受压力影响，但降低温度、增加水蒸气或减少二氧化碳的含量，都能使一氧化碳的平衡浓度降低。工业上采用催化剂加快反应速率。一氧化碳变换催化剂视活性温度和抗硫性能的不同分为铁铬系、铜锌系和钴钼系3种（见合成氨催化剂）。

生产中，为了提高一氧化碳变换率，通常采用过量水蒸气，并根据原料气硫含量的多少选用适宜的变换催化剂，确定脱硫工序是放在变换之前或在其后。压力可选用常压或加压，随着工业化装置的日趋大型化常压已逐步被取缔。温度是控制一氧化碳变换过程最重要的工艺条件，随着变换反应的进行，会有大量反应热放出，使催化剂床层出口温度上升。对一氧化碳浓度高的原料气，通常采用多段变换流程，以尽可能降低变换气中的一氧化碳浓度。多段变换时，段间进行冷却，使大量一氧化碳在第一段较高温度下与水蒸气反应；末段则在较低温度下进行变换以提高变换率。

原料气中的硫化物主要是硫化氢，此外还有二硫化碳、氧硫化碳、硫醇、硫醚和噻吩等有机硫。其含量因原料及其产地不同，差异很大。脱硫方法根据脱硫剂的物理形态分为干法脱硫和湿法脱硫两大类。

干法脱硫剂有：①活性炭，可脱除硫化氢及少量羰基硫等有机硫化物；②钴钼或镍钼加氢催化剂，可将有机硫化物全部转化成硫化氢，然后再用其他脱硫剂（如氧化锌），将生成的硫化氢脱除，能将总硫含量脱除到0.5毫克/米³以下，此法广泛用于烃类蒸汽转化法生产的合成氨原料气的脱硫。③氧化锌，除噻吩外，能脱除硫化氢及各种有机硫化物。

用各种溶液脱除硫化物，通常采用下列两种方法。①物理吸收法。吸收剂有甲醇、碳酸丙烯酯、聚乙二醇二甲醚等，不仅能脱除硫化氢，氧硫化碳、二硫化碳等，溶液可以再生，并将硫化氢回收，而且也能选择性地吸收二氧化碳。②化学吸收法。常用的有氨水催化法及改良蒽醌二磺酸法（砷碱法因溶液有毒已较少采用）。前者以氨水作脱硫剂，对苯二酚作催化剂；后者以碳酸钠作脱硫剂，并使用2,6-蒽醌二磺酸或2,7-蒽醌二磺酸（简称ADA）作为溶液催化剂，此外还加有偏钒酸钠、酒石酸钾钠和三氯化铁等。这些方法都是通过催化剂将溶液中吸收的硫化氢中和反应生成的负二价硫氧化为单质硫，脱硫效果好，脱硫溶液可以再生。由于氧化是化学吸收法的特点，因而也可称为氧化法。硫化氢的氧化反应为：

湿法脱硫优点是能脱除大量的硫化氢；脱硫剂是液体物料，便于输送，可以再生，可回收硫；流程是一个连续脱硫的封闭循环系统，在操作中只需补加少量物料损失。

脱除原料气中二氧化碳方法很多，主要分为物理吸收法、化学吸收法、物理—化学吸收法、干法。

最早采用加压水脱除二氧化碳，经过减压将水再生。此法设备简单，但脱除二氧化碳净化度差，出口二氧化碳一般在2%（体积分数）以下，氢气损失较多，动力消耗也高，新建氨厂已不再用此法。新开发的方法有甲醇洗涤法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等。与加压水脱碳法相比，新方法具有净化度高、能耗低、回收二氧化碳纯度高等优点，而且还可选择性地脱除硫化氢，是工业上广泛采用的脱碳方法。

具有吸收效果好、再生容易，同时还能脱硫化氢等优点，主要方法有乙醇胺法和催化热钾碱法。后者脱碳反应式为：

为提高二氧化碳吸收和再生速度，可在碳酸钾溶液中添加某些无机或有机物作活化剂，并加入缓蚀剂以降低溶液对设备的腐蚀。其中工业上广泛应用的方法有多种。此外还有氨水吸收法。中国开发的碳化法合成氨流程，采用氨水脱除变换气中的二氧化碳，同时又将氨水加工成碳酸氢铵，此生产流程已为中国小型氨厂普遍采用。

以乙醇胺和二氧化四氢噻吩（又称环丁砜）的混合溶液作吸收剂，称环丁砜法，因乙醇胺是化学吸收剂，二氧化四氢噻吩是物理吸收剂，故此法为物理与化学效果相结合的脱碳方法。

利用气体在不同分压下有不同的吸附容量，用吸附剂对混合气体组分有选择性吸收的特性（分离系数不同），在工艺压力下吸附易吸附组分，减压脱附使吸附剂得到再生。通过多个吸附床分别循环变动压力，达到连续分离气体混合物的目的。

变压吸附脱碳随着吸附剂、自动阀门制造及自动化控制技术的成熟和发展，该工艺不断成熟，成本不断下降，规模不断增长，应用领域不断扩大，变压吸附脱碳已成为一种重要的高效节能安全环保的气体净化新技术。

原料气经一氧化碳变换和二氧化碳脱除后，尚含有少量一氧化碳和二氧化碳，在送往氨合成系统前，为使它们总的含量少于10毫克/米³，必须进一步加以脱除。脱除少量一氧化碳和二氧化碳有铜氨液吸收法、液氮洗涤法、甲烷化法、甲醇甲烷化法。

是最早采用的方法，在高压、低温下用铜盐的氨溶液吸收一氧化碳并生成络合物，然后将溶液在减压和加热条件下再生。其反应过程为：

由于吸收溶液中有游离氨，故可同时将气体中的二氧化碳脱除：

随着技术的进步，铜氨液吸收法精制原料气与其他方法相比，缺点越来越突出，主要表现在运行、维修、操作费用高，物料消耗大，而且精制度低，其最致命的缺陷还在于环境污染严重。新建合成氨厂多选用用甲烷化法和液氮洗涤法等代替此方法。

利用液态氮能溶解一氧化碳、甲烷等的物理性质，在深度冷冻的温度条件下把原料气中残留的少量一氧化碳和甲烷等彻底除去。该工艺由德国林德公司开发，适用于设有空气分离装置的重质油、煤加压部分氧分法制原料气的净化流程，也可用于焦炉气分离制氢的流程。

是20世纪60年代开发的方法，在镍催化剂存在下使一氧化碳和二氧化碳加氢生成甲烷：

由于甲烷化反应为强放热反应，而镍催化剂不能承受很大的温升，因此，对气体中一氧化碳和二氧化碳含量有限制。该法流程简单，可将原料气中碳的氧化物脱除到10毫克/米³以下，以天然气为原料的新建氨厂，大多采用此法。但甲烷化反应中需消耗氢气，且生成对合成氨无用的惰性组分气甲烷，造成氨合成放空量增大，因此该工艺仅适用于经深度变换和脱碳后，原料气中含一氧化碳和二氧化碳极少的合成氨装置。

丹麦托普索于20世纪90年代初开发的一种新的气体净化工艺。甲醇化工艺中将一氧化碳和二氧化碳按下面反应转化为甲醇：

甲烷化是将醇后气体中更少量的一氧化碳、二氧化碳转化至小于10毫克/米³。醇后气再进行甲烷化，就能达到减少甲烷生成量的目的，同时可以使甲烷化工艺过程中氢气损失减少。该工艺前部分是为了提高原料气的利用率、降低产品的物耗，后部分是为彻底净化氨合成原料气。此种方法被广泛应用于合成氨装置的深度净化领域。 

水蒸气对氨合成催化剂有害，故被水蒸气所饱和的新鲜氮氢混合气在进入合成系统前需除去水蒸气。工业上新开发了分子筛净化的方法，在分子筛吸附器中将水分和微量的二氧化碳清除，分子筛经加热再生后复用。生产中，采用两个分子筛吸附器交替使用。