氨合成是放热、缩小体积的可逆反应，温度、压力对此反应的化学平衡有影响。当混合气中氢氮摩尔比为3时，氨平衡含量随着温度降低、压力增加而提高。但在较低温度下，氨合成的反应速率十分缓慢，需采用催化剂来加快反应。由于受到所用催化剂活性的限制，温度不能过低，因此为提高反应后气体中的氨含量，氨合成宜在高压下进行。当用铁催化剂时，压力大多选用15.2～30.4兆帕（150～300标准大气压），即使在这样压力条件下操作，每次也只有一部分氮气和氢气反应为氨，故氨合成塔出口气体的氨浓度通常为10%～25%（体积）。决定反应的主要因素是铁催化剂的活性，反应所产生的氨与氮气、氢气的分离以及氮、氢气的循环使用。

氨合成的单程转化率不高，为了取得产品氨，需将氨气从氨合成塔出口气中分离出来。工业上通常用两种方法：①冷凝分离法，利用氨的临界温度比氮、氢高的特点，只需把含氨混合气冷却，其中的氨即可从气态冷凝成液态。温度越低，冷凝的氨越多。工业生产都采用产品液氨作制冷剂，为了节省制冷剂用量，混合气先用水冷却。在冷凝过程中，部分氢、氮和惰性气体溶解其中。冷凝的液氨在氨分离器中与气体分开后经减压送入贮槽。贮槽压力一般为1.6～1.8兆帕，由于压力降低，溶解在液氨中的气体大部分在贮槽中又释放出来，工业上称为“贮槽气”或“弛放气”。②溶剂吸收法，利用氨气在水中的溶解度比氮、氢气大的性质，在高压下用水吸收，制成浓氨水。从浓氨水制取液氨尚需经过氨水精馏、氨气冷凝等步骤，消耗热能较多，工业上已很少采用。但近年来利用有机溶剂吸收氨的研究，已取得了进展。

为使氨合成塔出口气中的氮、氢气在氨气分离以后能继续循环利用，采用回路流程，以便氮、氢气返回到氨合成塔。此法的保证条件是：①不断补充新鲜氮氢混合气进入回路；②从氨合成塔出口气中分离氨；③为补偿回路气体压力损失而设置循环气压缩机；④回收利用氨合成反应热；⑤为避免新鲜氮氢混合气中少量甲烷和氩等惰性气体在回路中积累过多，必须排放适量的循环气。为此，设计有多种回路流程。

早期氨合成流程多采用往复式压缩机，反应热未加利用。出塔气体先经水冷却，一部分氨被冷凝，再进入氨分离器。为降低循环气中甲烷、氩的含量，排出氨分离器后的气体要少量放空，大部分则进入循环气压缩机，补充压力后进入滤油器，新鲜氮氢混合气也在此加入。为了避免循环气压缩机对合成塔的污染，循环机往往置于水冷与氨冷之间，以利用氨冷凝器冷凝液氨时的低温将油凝集而分离。混合后气体通过冷交换器内上部的换热器与分离液氨后的循环气体换热，然后在氨冷凝器中冷却到0℃以下，使大部分氨冷凝并返回冷交换器内下部的分离器，在此分离出液氨。分离氨后的气体去上部换热器，被加热到20～30℃进氨合成塔，从而完成一个循环。

现代氨合成流程采用离心式压缩机，可以回收反应热。出塔气体先经过锅炉给水预热器，回收一部分热能后再通过换热器，将进塔的气体加热到130～140℃。出塔气体进一步通过水冷却器，冷交换器，第一、第二氨冷凝器，冷却到0℃以下，使大部分氨冷凝下来。由于降低了气体进水冷器的温度，提高了水冷器冷凝氨的效果，从而减少了氨冷凝器的冷量消耗。在氨分离器中将液氨分离后，循环气经冷交换器进入压缩机，与新鲜气混合，再经换热，最后进入氨合成塔。如此循环操作，进行生产。为了回收循环气中弛放的氢气，开发了膜分离、变压吸附和深冷分离3种方法，在氨厂已经广泛采用。