แหล่งกำเนิดไฮโดรเจน หลัก คือมีเทนการปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติจะสกัดไฮโดรเจนจากมีเทนในท่อที่มีอุณหภูมิและความดันสูงภายในเครื่องปฏิรูปโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกล แหล่ง เชื้อเพลิงฟอสซิล อื่นๆ ได้แก่ ถ่านหินน้ำมันเชื้อเพลิงหนักและแนฟทา

ไฮโดรเจนสีเขียวผลิตขึ้นโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลหรือการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากชีวมวลโดยใช้การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าหรือ การแยกน้ำ ด้วยความร้อนทางเคมี (พลังงานแสงอาทิตย์หรือแหล่งความร้อนอื่น) ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

เริ่มต้นด้วยก๊าซธรรมชาติ ( CH)) วัตถุดิบ มีขั้นตอนดังต่อไปนี้;

• กำจัด สารประกอบ กำมะถัน ออก จากวัตถุดิบ เนื่องจากกำมะถันจะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในขั้นตอนต่อไปเสื่อมสภาพ การกำจัดกำมะถันจำเป็นต้องใช้กระบวนการไฮโดรจิเนชันแบบเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารประกอบกำมะถันในวัตถุดิบให้เป็นก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ ( ไฮโดรดีซัลฟูไรเซชัน , ไฮโดรทรีตติ้ง):

${\displaystyle {\ce {H2 + RSH -> RH + H2S}}}$

• ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์จะถูกดูดซับและกำจัดออกโดยการผ่านเข้าไปในชั้นของซิงค์ออกไซด์ซึ่งจะเปลี่ยนไฮโดรเจนซัลไฟด์ให้กลายเป็นซิงค์ซัลไฟด์ ที่เป็นของแข็ง

${\displaystyle {\ce {H2S + ZnO -> ZnS + H2O}}}$

• การปฏิรูปไอน้ำโดยใช้ตัวเร่ง ปฏิกิริยา ของวัตถุดิบที่ปราศจากกำมะถันจะก่อให้เกิดไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ :

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O -> CO + 3 H2}}}$

• การแปลงสภาพด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาจะเปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์ให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนเพิ่มเติม:

${\displaystyle {\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}}$

• ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกกำจัดออกไปโดยการดูดซับใน สารละลาย เอทานอลอะมีน ในน้ำ หรือโดยการดูดซับในเครื่องดูดซับแบบสลับความดัน (PSA) โดยใช้ตัวกลางดูดซับของแข็งที่เป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะ
• ขั้นตอนสุดท้ายในการผลิตไฮโดรเจนคือการใช้กระบวนการมีเทนไนเซชัน แบบเร่งปฏิกิริยา เพื่อกำจัดคาร์บอนมอนอกไซด์หรือคาร์บอนไดออกไซด์ที่เหลืออยู่:

${\displaystyle {\ce {CO + 3 H2 -> CH4 + H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O}}}$

ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับไนโตรเจน (ที่ได้จากการแยกอากาศ ) โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสร้างแอมโมเนียเหลว ปราศจากน้ำ กระบวนการนี้ยากและมีราคาแพง เนื่องจากอุณหภูมิต่ำส่งผลให้จลนศาสตร์ของปฏิกิริยา ช้าลง (ดังนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยา จึงช้าลง ) ^{[ 35 ]}และความดันสูงต้องการภาชนะรับความดันที่มีความแข็งแรงสูง^{[ 36 ]}ที่ทนต่อการเปราะของไฮโดรเจน

ปฏิกิริยาหลักที่เกิดขึ้นคือวงจรการสังเคราะห์แอมโมเนีย:

${\displaystyle {\ce {3 H2 + N2 -> 2 NH3}}}$

เนื่องจาก ไนโตรเจนได อะตอมิกถูกยึดไว้ด้วยกันด้วยพันธะสามจึงค่อนข้างเฉื่อย^{[ 37 ] [ 38 ]}เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเร่งการแตกตัวของพันธะเหล่านี้ และก๊าซที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยาจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่

สารตั้งต้นจะถูกส่งผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา 4 ชั้น โดยมีการระบายความร้อนระหว่างแต่ละชั้นเพื่อรักษา ระดับ สมดุลให้คงที่เนื่องจากลักษณะของตัวเร่งปฏิกิริยา (โดยทั่วไปคือ แมก เนไทต์ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาหลายตัว) ที่ใช้ในปฏิกิริยาสังเคราะห์แอมโมเนีย จึงสามารถทนต่อสารประกอบที่มีออกซิเจน (โดยเฉพาะ CO, CO₂ และ H₂O) ในส่วนผสมของไฮโดรเจน/ไนโตรเจนได้ในระดับต่ำเท่านั้นผลิตที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ได้โดยการแยกอากาศแต่ การกำจัด ออกซิเจน เพิ่มเติม อาจจำเป็น

ในแต่ละรอบจะมีการแปลงสภาพเพียงประมาณ 15% เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าต้องสกัดแอมโมเนียและนำก๊าซกลับมาแปรรูปใหม่เพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปในอัตราที่ยอมรับได้^{[ 39 ]}ถึงกระนั้นก็ตาม เนื่องจากการรีไซเคิลสารตั้งต้นที่เหลืออยู่ ในที่สุดก็สามารถบรรลุการแปลงสภาพได้ถึง 97% ^{[ 3 ]}การรีไซเคิลอย่างกว้างขวางนี้อาจนำไปสู่การสะสมของสารเฉื่อยในก๊าซได้

มีสองประเด็นที่ขัดแย้งกันที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ตำแหน่งสมดุลและอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่อุณหภูมิห้อง สมดุลจะเอื้อต่อแอมโมเนีย แต่ปฏิกิริยาจะไม่ดำเนินไปในอัตราที่ตรวจจับได้เนื่องจากพลังงานกระตุ้นสูง เนื่องจากปฏิกิริยาคายความ ร้อน ค่าคงที่ สมดุลจึงลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามหลักการของเลอ ชาเตลิเยร์โดยจะมีค่าเป็น 1 ที่ประมาณ150–200 °C (302–392 °F ) ^{[ 3 ]}  

เหนืออุณหภูมินี้ สมดุลจะกลายเป็นไม่เอื้ออำนวยอย่างรวดเร็วที่ความดันบรรยากาศ ตามสมการของ Van 't Hoffการลดอุณหภูมิไม่เป็นประโยชน์เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาต้องการอุณหภูมิอย่างน้อย 400  °C จึงจะมีประสิทธิภาพ^{[ 3 ]}

ความดันที่เพิ่มขึ้นจะส่งเสริมปฏิกิริยาไปข้างหน้า เนื่องจาก สารตั้งต้น 4 โมลจะให้ ผลิตภัณฑ์ 2 โมล และความดันที่ใช้ ( 15–25 MPa (150–250 บาร์; 2,200–3,600 psi) ) จะเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่สมดุล ทำให้ได้แอมโมเนียในปริมาณมาก เหตุผลนี้เห็นได้ชัดจากความสัมพันธ์ของสมดุล:   

$${\displaystyle K={\frac {y_{{\ce {NH3}}}^{2}}{y_{{\ce {H2}}}^{3}y_{{\ce {N2}}}}}{\frac {{\hat {\phi }__{{\ce {NH3}}}^{2}}{{\hat {\phi }__{{\ce {H2}}}^{3}{\hat {\phi }`{{\ce {N2}}}}}\left({\frac {P^{\circ }}{P}}\right)^{2},}$$

โดยที่คือสัมประสิทธิ์ฟิวจาซิตี้ของสปีชีส์คือเศษส่วนโมลของสปีชีส์เดียวกันคือความดันของเครื่องปฏิกรณ์ และคือความดันมาตรฐาน ซึ่งโดยทั่วไปคือ1 บาร์ (0.10 MPa )${\displaystyle {\hat {\phi }__{i}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle y_{i}}$${\displaystyle P}$${\displaystyle P^{\circ }}$ 

ในเชิงเศรษฐกิจ การเพิ่มแรงดันในเครื่องปฏิกรณ์มีราคาแพง: ท่อ วาล์ว และภาชนะปฏิกิริยาต้องแข็งแรงพอ และข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยมีผลต่อการทำงานที่ 20  MPa คอมเพรสเซอร์ใช้พลังงานมาก เนื่องจากต้องมีการทำงานกับก๊าซ (ที่อัดได้) ดังนั้น การประนีประนอมที่ใช้จึงให้ผลผลิตแบบผ่านครั้งเดียวประมาณ 15% ^{[ 3 ]}

แม้ว่าการกำจัดแอมโมเนียออกจากระบบจะช่วยเพิ่มผลผลิตของปฏิกิริยา แต่ในทางปฏิบัติขั้นตอนนี้ไม่ได้ใช้ เนื่องจากอุณหภูมิสูงเกินไป ดังนั้นจึงใช้วิธีการกำจัดแอมโมเนียออกจากก๊าซที่ออกจากภาชนะปฏิกิริยาแทน ก๊าซร้อนจะถูกทำให้เย็นลงภายใต้ความดันสูง ทำให้แอมโมเนียควบแน่นและถูกกำจัดออกไปในรูปของเหลว ก๊าซไฮโดรเจนและไนโตรเจนที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยาจะถูกส่งกลับไปยังภาชนะปฏิกิริยาเพื่อเริ่มรอบใหม่^{[ 3 ]}แม้ว่าแอมโมเนียส่วนใหญ่จะถูกกำจัดออกไป (โดยทั่วไปเหลือเพียง 2–5  โมล%) แต่แอมโมเนียบางส่วนยังคงอยู่ในกระแสหมุนเวียน ในเอกสารทางวิชาการ มีการเสนอวิธีการแยกแอมโมเนียที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นโดยการดูดซับในโลหะเฮไลด์โครงสร้างโลหะอินทรีย์หรือซีโอไลต์^{[ 41} ] กระบวนการดังกล่าวเรียกว่ากระบวนการ Haber ที่เสริมด้วยสารดูดซับ^หรือกระบวนการHaber –Bosch ที่เสริมด้วยสารดูดซับ^{[ 42 ]}

ขั้นตอน การปฏิรูปไอน้ำ การแปลงแบบชิฟต์การกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์และเมทาเนชันแต่ละขั้นตอนดำเนินการที่ความดันสัมบูรณ์ประมาณ 25 ถึง 35 บาร์ ในขณะที่วงจรการสังเคราะห์แอมโมเนียดำเนินการที่อุณหภูมิ300–500 °C (572–932 ° ^F )และความดันตั้งแต่ 60 ถึง 180 บาร์ ขึ้นอยู่กับวิธีการที่ใช้ แอมโมเนียที่ได้จะต้องถูกแยกออกจากไฮโดรเจนและไนโตรเจนที่เหลืออยู่ที่อุณหภูมิ−20 °C (−4 °F) [ ^{43 ] [ 3 ]}    

ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กได้มาจากผงเหล็กที่บดละเอียด ซึ่งโดยปกติจะได้มาจากการลดแมกเนไทต์บริสุทธิ์ (Fe₃O₄ ผงเหล็กจะถูกออกซิไดซ์เพื่อให้ได้อนุภาคแมกเนไทต์หรือวูสไทต์ (FeO, เฟอร์รัสออกไซด์) ที่มีขนาดเฉพาะ อนุภาคแมกเนไทต์ (หรือวูสไทต์) จะถูกรีดิวซ์บางส่วนเพื่อกำจัดออกซิเจน บาง ส่วน อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้ประกอบด้วยแกนกลางของแมกเนไทต์ ห่อหุ้มด้วยเปลือกของวูสไทต์ซึ่งล้อมรอบด้วยเปลือกนอกของเหล็กโลหะ ตัวเร่งปฏิกิริยายังคงรักษาปริมาตรส่วนใหญ่ไว้ในระหว่างการรีดิวซ์ ส่งผลให้ได้วัสดุที่มีรูพรุนสูงและมีพื้นที่ผิวสูง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยา ส่วนประกอบเล็กน้อย ได้แก่แคลเซียมและอะลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งช่วยรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กและช่วยรักษาพื้นที่ผิว ออกไซด์ของ Ca, Al, K และ Si เหล่านี้ไม่ทำปฏิกิริยากับการรีดิวซ์ด้วยไฮโดรเจน^{[ 3 ]}

การผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาต้องใช้กระบวนการหลอมเหลวแบบพิเศษ ซึ่งวัตถุดิบ ที่ใช้ ต้องปราศจากสารพิษของตัวเร่งปฏิกิริยาและกลุ่มตัวส่งเสริมต้องกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในแมกเนไทต์ที่หลอมเหลว การทำให้แมกเนไทต์เย็นตัวอย่างรวดเร็ว ซึ่งมีอุณหภูมิเริ่มต้นประมาณ 3500  °C จะทำให้ได้สารตั้งต้นที่ต้องการ น่าเสียดายที่การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วจะทำให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความต้านทานต่อการสึกหรอลดลง แม้จะมีข้อเสียนี้ วิธีการทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วก็ยังถูกนำมาใช้บ่อยครั้ง^{[ 3 ]}

การลดแมกเนไทต์ซึ่งเป็นสารตั้งต้นให้กลายเป็นเหล็กอัลฟาจะดำเนินการโดยตรงในโรงงานผลิตโดยใช้ก๊าซสังเคราะห์การลดแมกเนไทต์เกิดขึ้นผ่านการก่อตัวของวูสไทต์ (FeO) ทำให้อนุภาคที่มีแกนกลางเป็นแมกเนไทต์ถูกล้อมรอบด้วยเปลือกของวูสไทต์ การลดแมกเนไทต์และวูสไทต์ต่อไปจะนำไปสู่การก่อตัวของเหล็กอัลฟา ซึ่งจะก่อตัวเป็นเปลือกนอกร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยา^{[ 47 ]}กระบวนการที่เกี่ยวข้องมีความซับซ้อนและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการลด: ที่อุณหภูมิต่ำ วูสไทต์จะเกิดการแตกตัวเป็นเฟสเหล็กและเฟสแมกเนไทต์ ที่อุณหภูมิสูงขึ้น การลดวูสไทต์และแมกเนไทต์ให้กลายเป็นเหล็กจะเกิดขึ้นเป็นหลัก^{[ 48 ]}

α-เหล็กก่อตัวเป็นผลึก หลัก ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 30 นาโนเมตร ผลึกเหล่านี้ก่อตัวเป็นระบบรูพรุนแบบสองโหมดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนประมาณ 10 นาโนเมตร (เกิดจากการลดเฟสแมกเนไทต์) และ 25 ถึง 50 นาโนเมตร (เกิดจากการลดเฟสวูสไทต์) ^{[ 47 ]}ยกเว้นโคบอลต์ออกไซด์ตัวเร่งปฏิกิริยาจะไม่ถูกลดลง

ระหว่างการลดออกไซด์ของเหล็กด้วยก๊าซสังเคราะห์ จะเกิดไอน้ำขึ้น ไอน้ำนี้ต้องนำมาพิจารณาเพื่อให้ได้คุณภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดี เนื่องจากไอน้ำที่สัมผัสกับเหล็กที่ละเอียดจะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพก่อนวัยอันควรเนื่องจากการตกผลึกใหม่โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกับอุณหภูมิสูง ดังนั้น ความดันไอของน้ำในส่วนผสมของก๊าซที่เกิดขึ้นระหว่างการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาจึงต้องรักษาให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยค่าเป้าหมายคือต่ำกว่า 3 กรัม^{ต่อลูกบาศก์เมตร}ด้วยเหตุนี้ การลดจึงดำเนินการที่อัตราการแลกเปลี่ยนก๊าซสูง ความดันต่ำ และอุณหภูมิต่ำ ลักษณะ การคายความร้อนของการเกิดแอมโมเนียทำให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น^{[ 3 ]}

การลดตัวเร่งปฏิกิริยาหรือสารตั้งต้นที่สดใหม่และออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์จนถึงกำลังการผลิตเต็มที่ใช้เวลาสี่ถึงสิบวัน^{[ 3 ]}เฟสวูสไทต์จะถูกลดลงเร็วกว่าและที่อุณหภูมิต่ำกว่า เฟส แมกเนไทต์ (Fe O ) หลังจากการตรวจสอบจลนศาสตร์ กล้องจุลทรรศน์ และสเปกโทรสโกปีรังสีเอกซ์ อย่างละเอียด พบว่าวูสไทต์ทำปฏิกิริยากับเหล็กโลหะก่อน ซึ่งนำไปสู่การไล่ระดับของไอออนเหล็ก(II) โดยไอออนเหล่านี้จะแพร่กระจายจากแมกเนไทต์ผ่านวูสไทต์ไปยังพื้นผิวอนุภาคและตกตะกอนที่นั่นเป็นนิวเคลียสของเหล็ก ตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่มีกิจกรรมสูงซึ่งอิงตามปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบในช่วงทศวรรษ 1980 ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเจ้อเจียงและนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในปี 2003 ^{[ 49 ]}

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ลดและเสถียรแล้วมีส่วนแบ่งการตลาด ที่สำคัญ โดยจะแสดงให้เห็นโครงสร้างรูพรุนที่พัฒนาเต็มที่แล้ว แต่พื้นผิวจะถูกออกซิไดซ์อีกครั้งหลังการผลิต จึงไม่ติดไฟได้อีกต่อไปการเปิดใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาที่ลดแล้วเหล่านี้อีกครั้งต้องใช้เวลาเพียง 30 ถึง 40 ชั่วโมง แทนที่จะเป็นหลายวัน นอกจากเวลาเริ่มต้นที่สั้นแล้ว ยังมีข้อดีอื่นๆ เช่น ความต้านทานต่อน้ำที่สูงกว่าและน้ำหนักที่เบากว่า^{[ 3 ]}

มีความพยายามมากมายในการปรับปรุงกระบวนการ Haber–Bosch โลหะหลายชนิดได้รับการทดสอบเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ข้อกำหนดสำหรับความเหมาะสมคือการดูดซับแบบแยกส่วนของไนโตรเจน (กล่าวคือ โมเลกุลของไนโตรเจนจะต้องถูกแยกออกเป็นอะตอมของไนโตรเจนเมื่อถูกดูดซับ) หากการยึดเกาะของไนโตรเจนแข็งแรงเกินไป ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกปิดกั้นและประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาจะลดลง (เป็นพิษในตัวเอง) ธาตุในตารางธาตุทางด้านซ้ายของกลุ่มเหล็กแสดงพันธะที่แข็งแรงดังกล่าว นอกจากนี้ การก่อตัวของไนไตรด์บนพื้นผิวทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาโครเมียมไม่มีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น โลหะทางด้านขวาของกลุ่มเหล็ก ในทางตรงกันข้าม ดูดซับไนโตรเจนได้อ่อนเกินไปสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนีย Haber เริ่มแรกใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้โอสเมียมและยูเรเนียมยูเรเนียมทำปฏิกิริยากับไนไตรด์ในระหว่างการเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่โอสเมียมออกไซด์นั้นหายาก^{[ 51 ]}

จากการศึกษาเชิงทฤษฎีและเชิงปฏิบัติ พบว่าการปรับปรุงเหนือเหล็กบริสุทธิ์นั้นมีจำกัด กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเติมโคบอลต์เข้าไป^{[ 52 ]}

สารพิษที่ทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาจะลดกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาลง โดยปกติแล้วจะเป็นสิ่งเจือปนในก๊าซสังเคราะห์ สาร พิษถาวรจะทำให้สูญเสียกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาอย่างถาวร ในขณะที่สารพิษชั่วคราวจะลดกิจกรรมลงในขณะที่มีอยู่สารประกอบซัลเฟอร์สารประกอบฟอสฟอรัส สารประกอบ อาร์เซนิกและ สารประกอบ คลอรีนเป็นสารพิษถาวร สารประกอบออกซิเจน เช่น น้ำคาร์บอนมอนอกไซด์คาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจน เป็น สารพิษชั่วคราว^{[ 3 ] [ 55 ]}

แม้ว่าส่วนประกอบที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีของส่วนผสมก๊าซสังเคราะห์ เช่นก๊าซเฉื่อยหรือมีเทนจะไม่เป็นพิษอย่างแท้จริง แต่ส่วนประกอบเหล่านี้จะสะสมผ่านการนำก๊าซกระบวนการกลับมาใช้ใหม่ และทำให้ความดันย่อยของสารตั้งต้นลดลง ซึ่งจะทำให้การแปลงช้าลง^{[ 56 ]}

ปฏิกิริยาคือ:

${\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 <=> 2NH3}}\qquad {\Delta H_{\mathrm {298~K} }^{\circ }=-92.28\;{\ce {kJ/mol}}})}$^{[ 58 ]}

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาสมดุลคายความร้อนซึ่งปริมาตรของแก๊สลดลง ค่าคงที่สมดุลKของปฏิกิริยา (ดูตาราง) ได้มาจาก:

${\displaystyle K_{eq}={\frac {p^{2}{\ce {(NH3)}}}{p{\ce {(N2)}}\cdot p^{3}{\ce {(H2)}}}}}$

เนื่องจากปฏิกิริยาคายความร้อน สมดุลของปฏิกิริยาจึงเลื่อนไปทางด้านแอมโมเนียที่อุณหภูมิต่ำกว่า นอกจากนี้ วัตถุดิบสี่หน่วยปริมาตรจะผลิตแอมโมเนียสองหน่วยปริมาตร ตามหลักการของเลอชาเตลิเยร์ความดันที่สูงขึ้นจะเอื้อต่อการเกิดแอมโมเนีย ความดันสูงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาถูกปกคลุมด้วยไนโตรเจนอย่างเพียงพอ^{[ 59 ]}ด้วยเหตุนี้ อัตราส่วนของไนโตรเจนต่อไฮโดรเจนที่ 1 ต่อ 3 ความดัน 250 ถึง 350 บาร์ อุณหภูมิ 450 ถึง 550  °C และเหล็กอัลฟาจึงเหมาะสมที่สุด

ตัวเร่งปฏิกิริยาเฟอร์ไรต์ (α-Fe) ผลิตขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์โดยการรีดิวซ์แมกเนไทต์ด้วยไฮโดรเจน ตัวเร่งปฏิกิริยามีประสิทธิภาพสูงสุดที่อุณหภูมิประมาณ 400 ถึง 500  °C แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะช่วยลดพลังงานกระตุ้นสำหรับการแตกพันธะสามของโมเลกุลไนโตรเจนได้อย่างมาก แต่ก็ยังคงต้องใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เหมาะสม ที่อุณหภูมิปฏิกิริยาที่ใช้ในอุตสาหกรรมที่ 450 ถึง 550  °C จะได้จุดที่เหมาะสมที่สุดระหว่างการสลายตัวของแอมโมเนียเป็นสารตั้งต้นและประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา^{[ 60 ]}แอมโมเนียที่เกิดขึ้นจะถูกกำจัดออกจากระบบอย่างต่อเนื่อง สัดส่วนปริมาตรของแอมโมเนียในส่วนผสมของก๊าซอยู่ที่ประมาณ 20%

ส่วนประกอบเฉื่อย โดยเฉพาะก๊าซเฉื่อย เช่นอาร์กอนไม่ควรมีปริมาณเกินกว่าที่กำหนด เพื่อไม่ให้ความดันย่อยของสารตั้งต้นลดลงมากเกินไป เพื่อกำจัดส่วนประกอบของก๊าซเฉื่อย จึงต้องแยกก๊าซบางส่วนออก และอาร์กอนจะถูกแยกในโรงงานแยกก๊าซ การ ^สกัดอาร์กอนบริสุทธิ์จากก๊าซหมุนเวียนจะดำเนินการโดยใช้กระบวนการ Linde ^{[ 61} ]

โรงงานผลิตแอมโมเนียสมัยใหม่สามารถผลิตได้มากกว่า 3,000 ตันต่อวันในสายการผลิตเดียว แผนภาพต่อไปนี้แสดงการตั้งค่าของโรงงาน Haber–Bosch แบบ "สายการผลิตเดียว" ที่ทันสมัย ​​(ออกแบบในช่วงต้นทศวรรษ 1960 โดยKellogg ^{[ 62 ]} )

ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิด ก๊าซสังเคราะห์จะต้องถูกกำจัดสิ่งเจือปนออกไปก่อน เช่นไฮโดรเจนซัลไฟด์หรือสารประกอบกำมะถันอินทรีย์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่มีความเข้มข้นสูงซึ่งเกิดขึ้นในก๊าซสังเคราะห์จาก ถ่านโค้ก คาร์บอนไนเซชันจะถูกกำจัดออกในขั้นตอนการทำความสะอาดแบบเปียก เช่นกระบวนการซัลโฟโซลแวนในขณะที่ความเข้มข้นต่ำจะถูกกำจัดออกโดยการดูดซับบนถ่านกัมมันต์ [ ^{63 ] สารประกอบ}กำมะถันอินทรีย์จะถูกแยกออกโดยการดูดซับแบบสวิงความดันพร้อมกับคาร์บอนไดออกไซด์หลังจากการแปลง CO

ในการผลิตไฮโดรเจนโดยการปฏิรูปด้วยไอน้ำ มีเทนจะทำปฏิกิริยากับไอน้ำโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์-อะลูมินาของนิกเกิลในเครื่องปฏิรูปหลักเพื่อสร้างคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจน พลังงานที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้เอนทาลปี ΔH คือ 206 kJ/mol ^{[ 64 ]}

${\displaystyle {\ce {{CH4_{(g)}}+H2O_{(g)}->{CO_{(g)}}+3H2_{(g)}}}\qquad {\Delta H^{\circ }=+206\ {\ce {kJ/mol}}}}$

ก๊าซมีเทนทำปฏิกิริยาในเครื่องปฏิรูปขั้นต้นเพียงบางส่วนเท่านั้น เพื่อเพิ่มผลผลิตไฮโดรเจนและรักษาสัดส่วนของส่วนประกอบเฉื่อย (เช่น มีเทน) ให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ก๊าซมีเทนที่เหลือจะถูกเปลี่ยนในขั้นตอนที่สองด้วยออกซิเจนให้กลายเป็นไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ในเครื่องปฏิรูปขั้นที่สอง เครื่องปฏิรูปขั้นที่สองได้รับอากาศเป็นแหล่งออกซิเจน นอกจากนี้ยังมีการเติมไนโตรเจนที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนียในขั้นตอนต่อไปลงในส่วนผสมของก๊าซด้วย

${\displaystyle {\ce {{2CH4_{(g)}}+O2_{(g)}->{2CO_{(g)}}+4H2_{(g)}}}\qquad {\Delta H^{\circ }=-71\ {\ce {kJ/mol}}}}$

ในขั้นตอนที่สาม คาร์บอนมอนอกไซด์จะถูกออกซิไดซ์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเรียกว่าการแปลง CO หรือปฏิกิริยาการเปลี่ยนก๊าซน้ำ

${\displaystyle {\ce {{CO_{(g)}}+H2O(g)->{CO2_{(g)}}+H2_{(g)}}}\qquad {\Delta H^{\circ }=-41\ {\ce {kJ/mol}}}}$

คาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์จะก่อตัวเป็นคาร์บาเมตกับแอมโมเนีย ซึ่งจะอุดตัน (ในรูปของแข็ง) ท่อและอุปกรณ์ต่างๆ ภายในระยะเวลาอันสั้น ดังนั้นในขั้นตอนต่อไป คาร์บอนไดออกไซด์จะต้องถูกกำจัดออกจากส่วนผสมของก๊าซ ในทางตรงกันข้ามกับคาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์สามารถกำจัดออกจากส่วนผสมของก๊าซได้ง่ายโดยการขัดล้างก๊าซด้วยไตรเอทานอลอะมีนส่วนผสมของก๊าซจึงยังคงมีมีเทนและก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน ซึ่งอย่างไรก็ตามมีพฤติกรรมเฉื่อย^{[ 56 ]}

จากนั้นส่วนผสมของก๊าซจะถูกอัดให้มีความดันใช้งานโดยใช้เทอร์โบคอมเพรสเซอร์ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการอัดจะถูกระบายออกโดยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและความร้อนที่ได้จะถูกนำไปใช้ในการอุ่นก๊าซดิบก่อนใช้งาน

การผลิตแอมโมเนียที่แท้จริงเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์แอมโมเนีย เครื่องปฏิกรณ์รุ่นแรกๆ เกิดการระเบิดภายใต้ความดันสูง เนื่องจากไฮโดรเจนอะตอมในเหล็กกล้าคาร์บอนบางส่วนรวมตัวกันเป็นมีเทนและทำให้เกิดรอยแตกในเหล็กกล้า ดังนั้น Bosch จึงพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อซึ่งประกอบด้วยท่อเหล็กรับแรงดัน โดยมีท่อเหล็กคาร์บอนต่ำสอดแทรกอยู่ภายในและบรรจุตัวเร่งปฏิกิริยา ไฮโดรเจนที่แพร่ผ่านท่อเหล็กด้านในจะหลุดออกไปด้านนอกผ่านรูเล็กๆ ในปลอกเหล็กด้านนอก ซึ่งเรียกว่ารู Bosch ^{[ 58 ]}ข้อเสียของเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อคือการสูญเสียความดันค่อนข้างสูง ซึ่งต้องนำมาใช้ใหม่โดยการอัด การพัฒนาเหล็กกล้าโครเมียม-โมลิบเดนัมที่ทนต่อไฮโดรเจนทำให้สามารถสร้างท่อผนังเดี่ยวได้^{[ 65 ]}

เครื่องปฏิกรณ์แอมโมเนียสมัยใหม่ได้รับการออกแบบให้เป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบหลายชั้นที่มีแรงดันตกต่ำ โดยที่ตัวเร่งปฏิกิริยาจะกระจายตัวเป็นชั้นๆ ประมาณสิบชั้นซ้อนกัน ก๊าซผสมจะไหลผ่านทีละชั้นจากบนลงล่าง มีการฉีดก๊าซเย็นจากด้านข้างเพื่อระบายความร้อน ข้อเสียของเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้คือการแปลงก๊าซผสมเย็นในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาสุดท้ายไม่สมบูรณ์^{[ 65 ]}

อีกทางเลือกหนึ่งคือ การระบายความร้อนของส่วนผสมปฏิกิริยาระหว่างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยที่ส่วนผสมไฮโดรเจน-ไนโตรเจนจะถูกอุ่นให้ถึงอุณหภูมิปฏิกิริยาก่อน เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้มีชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา 3 ชั้น นอกจากการควบคุมอุณหภูมิที่ดีแล้ว เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้ยังมีข้อดีคือ การแปลงก๊าซวัตถุดิบได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์ที่มีการฉีดก๊าซเย็น

Uhde ได้พัฒนาและใช้งานตัวแปลงแอมโมเนียที่มีเตียงตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไหลตามแนวรัศมี 3 เตียงและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายใน 2 เครื่อง แทนที่จะใช้เตียงตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไหลตามแนวแกน ซึ่งช่วยลดการลดลงของความดันในตัวแปลงลงอีก^{[ 66 ]}

ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจะถูกกำจัดออกอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้ผลผลิตสูงสุด ส่วนผสมของก๊าซจะถูกทำให้เย็นลงถึง 450  °C ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยใช้น้ำ ก๊าซที่ป้อนใหม่ และกระแสกระบวนการอื่นๆ แอมโมเนียจะควบแน่นและแยกออกในเครื่องแยกความดัน จากนั้นไนโตรเจนและไฮโดรเจนที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยาจะถูกอัดกลับเข้าสู่กระบวนการโดยเครื่องอัดก๊าซหมุนเวียนเสริมด้วยก๊าซใหม่ และป้อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์^{[ 65 ]}ในการกลั่นครั้งถัดไป แอมโมเนียที่เป็นผลิตภัณฑ์จะถูกทำให้บริสุทธิ์

กลไกการสังเคราะห์แอมโมเนียประกอบด้วยขั้นตอนพื้นฐานเจ็ดขั้นตอน ดังต่อไปนี้ :

1. การเคลื่อนย้ายสารตั้งต้นจากเฟสแก๊สผ่านชั้นขอบเขตไปยังพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา
2. การแพร่ผ่านรูพรุนไปยังศูนย์กลางปฏิกิริยา
3. การดูดซับของสารตั้งต้น
4. ปฏิกิริยา
5. การคายตัวของผลิตภัณฑ์
6. การลำเลียงผลิตภัณฑ์ผ่านระบบรูพรุนกลับสู่พื้นผิว
7. การเคลื่อนย้ายผลิตภัณฑ์เข้าสู่สถานะก๊าซ

การขนส่งและการแพร่กระจาย (สองขั้นตอนแรกและสองขั้นตอนสุดท้าย) เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเทียบกับการดูดซับ ปฏิกิริยา และการคายประจุ เนื่องจากโครงสร้างเปลือกของตัวเร่งปฏิกิริยา จากการศึกษาวิจัยต่างๆ พบว่าขั้นตอนที่กำหนด อัตรา ของการสังเคราะห์แอมโมเนียคือการแตกตัวของไนโตรเจน^{[ 3 ]}ในทางตรงกันข้าม ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างไฮโดรเจนและดิวเทอเรียมบนตัวเร่งปฏิกิริยา Haber–Bosch ยังคงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ−196 °C (−320.8 °F)ในอัตราที่วัดได้ การแลกเปลี่ยนระหว่างดิวเทอเรียมและไฮโดรเจนบนโมเลกุลแอมโมเนียก็เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องเช่นกัน เนื่องจาก1การดูดซับของทั้งสองโมเลกุลเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว จึงไม่สามารถกำหนดความเร็วของการสังเคราะห์แอมโมเนียได้^{[ 67 ]}  

นอกเหนือจากสภาวะปฏิกิริยาแล้ว การดูดซับไนโตรเจนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยายังขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาคของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย เหล็กมีพื้นผิวผลึกที่แตกต่างกัน ซึ่งปฏิกิริยาจะแตกต่างกันมาก พื้นผิว Fe(111) และ Fe(211) มีกิจกรรมสูงสุดอย่างเห็นได้ชัด คำอธิบายสำหรับเรื่องนี้คือมีเพียงพื้นผิวเหล่านี้เท่านั้นที่มีไซต์ C7 ซึ่งก็คืออะตอมเหล็กที่มีเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดเจ็ดอะตอม^{[ 3 ]}

การดูดซับแบบแยกส่วนของไนโตรเจนบนพื้นผิวเป็นไปตามแผนผังต่อไปนี้ โดยที่ S* แทนอะตอมเหล็กบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา: ^{[ 47 ]}

N → S ^* –N (ชนิดแกมมา) → S*–N –S ^* (ชนิดอัลฟา) → 2 S*–N (ชนิดเบตา, ไนไตรด์บนพื้นผิว )

การดูดซับไนโตรเจนนั้นคล้ายกับการดูดซับทางเคมีของคาร์บอนมอนอกไซด์ บนพื้นผิว Fe(111) การดูดซับไนโตรเจนจะนำไปสู่การดูดซับ γ-species ที่มีพลังงานการดูดซับ 24 kJmol ⁻¹และการสั่นแบบยืด NN ที่ 2100  cm ⁻¹เนื่องจากไนโตรเจนมีอิเล็กตรอนเหมือนกับคาร์บอนมอนอกไซด์ จึงดูดซับในรูปแบบ on-end ซึ่งโมเลกุลจะถูกยึดตั้งฉากกับพื้นผิวโลหะที่อะตอมไนโตรเจนหนึ่งอะตอม^{[ 19 ] [ 68 ] [ 3 ]}สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอน^{[ 69 ]}

การคำนวณ Ab-initio-MOแสดงให้เห็นว่า นอกเหนือจากการยึดเหนี่ยวแบบ σของอิเล็กตรอนคู่อิสระของไนโตรเจนกับโลหะแล้ว ยังมีการยึดเหนี่ยวแบบ πจากออร์บิทัล dของโลหะไปยังออร์บิทัล π* ของไนโตรเจน ซึ่งเสริมความแข็งแรงของพันธะเหล็ก-ไนโตรเจน ไนโตรเจนในสถานะ α จะถูกยึดเหนี่ยวอย่างแข็งแรงมากขึ้นด้วยพลังงาน 31 kJmol ⁻¹การอ่อนตัวของพันธะ N–N ที่เกิดขึ้นสามารถยืนยันได้จากการทดลองโดยการลดลงของเลขคลื่นของการสั่นแบบยืด N–N เป็น¹⁴⁹⁰  cm ⁻¹ [ ^{68 ]}

การให้ความร้อนเพิ่มเติมแก่บริเวณ Fe(111) ที่ปกคลุมด้วย α-N นำไปสู่ทั้งการดูดซับและการปรากฏของแถบใหม่ที่ 450  cm ⁻¹ซึ่งแสดงถึงการสั่นของโลหะ-ไนโตรเจน สถานะ β การเปรียบเทียบกับสเปกตรัมการสั่นของสารประกอบเชิงซ้อนทำให้สรุปได้ว่าโมเลกุล N ถูกยึดแบบ "ด้านข้าง" โดยมีอะตอม N สัมผัสกับไซต์ C7 โครงสร้างนี้เรียกว่า "ไนไตรด์พื้นผิว" ไนไตรด์พื้นผิวถูกยึดติดกับพื้นผิวอย่างแน่นหนามาก^{[ 69 ]}อะตอมไฮโดรเจน (H ) ซึ่งเคลื่อนที่ได้มากบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา จะรวมเข้ากับมันอย่างรวดเร็ว

ตรวจพบอิมิดบนพื้นผิว (NH ) อะไมด์บนพื้นผิว (NH ) และแอมโมเนียเคตบนพื้นผิว (NH ) โดยใช้สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด ซึ่งแอมโมเนียเคตบนพื้นผิวจะสลายตัวภายใต้การปล่อย NH ( การดูดซับ ) ^{[ 58 ]}โมเลกุลแต่ละตัวได้รับการระบุหรือกำหนดโดยใช้สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ (XPS) สเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอนความละเอียดสูง (HREELS) และ สเปกโทรส โกปีอินฟราเรด

จากผลการทดลองเหล่านี้เชื่อว่ากลไกปฏิกิริยา เกี่ยวข้องกับขั้นตอนต่อไปนี้ (ดูรูปประกอบ): ^{[ 70 ]}

1. N (g) → N (ดูดซับ)
2. N (ดูดซับ) → 2  N (ดูดซับ)
3. H (g) → H (ที่ถูกดูดซับ)
4. H (ดูดซับ) → 2  H (ดูดซับ)
5. N (ดูดซับ) + 3  H (ดูดซับ) → NH (ดูดซับ)
6. NH (ดูดซับ) → NH (g)

ปฏิกิริยาที่ 5 เกิดขึ้นในสามขั้นตอน โดยเกิดเป็น NH, NH₂ จากนั้น NH₃ จากการทดลองชี้ให้เห็นว่าปฏิกิริยาที่ 2 เป็นขั้นตอนที่ช้าและเป็นตัวกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งไม่ใช่เรื่องที่คาดไม่ถึง เนื่องจากขั้นตอนนี้จะทำลายพันธะสามของไนโตรเจน ซึ่งเป็นพันธะที่แข็งแรงที่สุดที่ถูกทำลายในกระบวนการนี้

เช่นเดียวกับตัวเร่งปฏิกิริยา Haber–Bosch ทั้งหมด การแตกตัวของไนโตรเจนเป็นขั้นตอนที่กำหนดอัตราสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนที่กระตุ้นด้วยรูทีเนียม ศูนย์กลางที่ใช้งานสำหรับรูทีเนียมคือไซต์ B5 ซึ่งเป็นตำแหน่งที่มีการประสานงาน 5 เท่าบนพื้นผิว Ru(0001) โดยที่อะตอมรูทีเนียมสองอะตอมสร้างขอบขั้นบันไดกับอะตอมรูทีเนียมสามอะตอมบนพื้นผิว Ru(0001) ^{[ 71 ]}จำนวนไซต์ B5 ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของอนุภาครูทีเนียม สารตั้งต้นรูทีเนียม และปริมาณรูทีเนียมที่ใช้^{[ 53 ]}ผลเสริมแรงของตัวพาพื้นฐานที่ใช้ในตัวเร่งปฏิกิริยารูทีเนียมนั้นคล้ายกับผลส่งเสริมของโลหะอัลคาไลที่ใช้ในตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็ก^{[ 53 ]}

สามารถสร้างแผนภาพพลังงานได้โดยอิงจากเอนทาลปีของปฏิกิริยาของแต่ละขั้นตอน แผนภาพพลังงานสามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบปฏิกิริยาเอกพันธุ์และปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ได้ เนื่องจากพลังงานกระตุ้น สูง ของการแตกตัวของไนโตรเจน ปฏิกิริยาเฟสแก๊สเอกพันธุ์จึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ตัวเร่งปฏิกิริยาหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้ เนื่องจากพลังงานที่ได้รับจากการยึดเกาะของอะตอมไนโตรเจนกับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจะชดเชยพลังงานการแตกตัวที่จำเป็น ทำให้ปฏิกิริยากลายเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนในที่สุด อย่างไรก็ตาม การดูดซับแบบแตกตัวของไนโตรเจนยังคงเป็นขั้นตอนที่กำหนดอัตรา ไม่ใช่เพราะพลังงานกระตุ้น แต่ส่วนใหญ่เป็นเพราะปัจจัยก่อนเลขชี้กำลัง ที่ไม่เอื้ออำนวย ของค่าคงที่อัตรา แม้ว่าการไฮโดรจีเนชันจะเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน แต่พลังงานนี้สามารถนำไปใช้ได้ง่ายโดยอุณหภูมิปฏิกิริยา (ประมาณ 700 K) ^{[ 3 ]}