分子筛：结构、原理与应用
分子筛：结构、原理与应用
分子筛是一种具有均匀微孔结构的材料，其孔径与一般分子大小相当，能够根据分子的大小和形状进行选择性吸附。这种独特的性质使得分子筛在干燥剂、吸附剂、催化剂等领域有着广泛的应用。本文将详细介绍分子筛的工作原理、分类及其在不同领域的具体应用。
分子筛
1932年，McBain提出了“分子筛”的概念。分子筛是指具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质。分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、催化剂、离子交换剂等，但是使用化学原料合成分子筛的成本很高。常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通常为0.3~2 nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。
工作原理
吸附功能：分子筛对物质的吸附来源于物理吸附（范德华力），其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子（如水）和不饱和分子表现出强烈的吸附能力。
筛分功能：分子筛的孔径分布非常均一，只有分子直径小于孔穴直径的物质才可能进入分子筛的晶穴内部。
通过吸附的优先顺序和尺寸大小来区分不同物质的分子，所以被形象的称为“分子筛”。
应用
分子筛的作用：按分子的大小和形状不同的选择吸附作用，对于小的极性分子和不饱和分子，具有选择吸附性能，极性越大，不饱和度越高，其选择吸附性越强。主要包括3A、4A、5A、5A脱蜡、10X、13X分子筛等产品。
3A分子筛用途：各种液体(如乙醇)的干燥；空气的干燥；制冷剂的干燥；天然气、甲烷气的干燥；不饱和烃和裂解气、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯的干燥。
4A分子筛用途：空气、天然气、烷烃、制冷剂等气体和液体的深度干燥；氩气的制取和净化；药品包装、电子元件和易变质物质的静态干燥；油漆、燃料、涂料中作为脱水剂。
5A分子筛用途：变压吸附；空气净化脱水和二氧化碳。
13X分子筛用途：空气分离装置中气体净化，脱除水和二氧化碳；天然气、液化石油气、液态烃的干燥和脱硫；一般气体深度干燥。
分类
- 3A分子筛
化学式：2/3K2O·1/3Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O
英文名称：3A Molecular Sieve
硅铝比：SiO2/ Al2O3≈2
有效孔径：约3Å
应用：主要用于建筑玻璃行业，气体提炼净化及石化工业。
再生：
脱除水分：视再生气的压温度、含水量而定。一般情况下，200～350℃干燥气体在0.3～0.5Kg/平方厘米，通过分子筛床层3～4小时，使出口温度110～180℃，冷却。
脱有机物：用水蒸气代替有机物，然后脱除水份。
储存：湿度不大于90%的室内：避免水、酸、碱、隔绝空气保存。
包装：30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶，130Kg密封钢桶（条状）。
- 4A分子筛
化学式：Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O
硅铝比：SiO2/ Al2O3≈2
有效孔径：约4Å
应用：主要用于天然气以及各种化工气体和液体、冷冻剂、药品、电子材料及易变物质的干燥，氩气纯化，甲烷、乙烷、丙烷的分离。
- 5A分子筛
化学式：3/4CaO·1/4Na2O·Al2O3·2 SiO2·9/2H2O
硅铝比：SiO2/ Al2O3≈2
有效孔径：约5Å
应用：主要用于正异构烷烃的分离，氧氮分离，化工、石油天然气、氨分解气体和其他工业气体及液体的干燥和精制。
再生：
脱除水分：视再生气的压力、温度、含水量而定一般情况下，200～350℃气体在0.3～0.5Kg/平方厘米压力下，分子筛床层3～4小时，出口温度到110～180℃，冷却。
脱有机物：用水蒸气代替有机物，然后脱除水份。
储存：相对湿度不大于90%的室内：避免水酸碱绝空气，密闭保存。
包装：30Kg密封钢桶 、150Kg密封钢桶，130Kg密封钢桶（条状）。
- 10X分子筛
化学式：4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·（2.8±0.2) SiO2·（6-7)H2O
硅铝比：SiO2/ Al2O3≈2.6-3.0
有效孔径：约9Å
应用：主要用于吸附分离芳烃及石蜡精制。
再生：
脱除水分：视再生气的压力、温度、含水量。200～350℃干燥气体在0.3～0.5Kg/平方厘米压力分子筛床层3～4小时，使出口温度到110～180℃，冷却。
脱有机物：用水蒸气代替有机物，然后脱除水份。
储存：相对湿度不大于90%的室内：避免水、酸、碱、隔绝空气保存。
包装：30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶。
- 13X分子筛
化学式：Na2O·Al2O3·（2.8±0.2）SiO2·（6-7）H2O
硅铝比：SiO2/AL2O3≈2.6-3.0
有效孔径：约10Å
应用：主要用于气体的干燥与净化，空分装置原料气的净化（同时去除H2O和CO2），液态碳氢化合物和天然气的脱硫（去除硫化氢和硫醇），催化剂载体。
再生：
脱除水分：再生气的压力温度含水量而定。200～350℃干燥气体0.3～0.5Kg/平方厘米压力下，通过分子筛床层3～4小时使出口温度到110～180℃。
脱有机物：用水蒸气代替有机物，然后脱除水份。
储存：室温，相对湿度不大于90%的室内：避免水酸碱隔绝空气保存。
包装：25Kg密封钢桶、125Kg密封钢桶，140Kg密封钢桶
- 13XAPG分子筛
应用：主要用于大中型空分装置原料的净化（同时去除H2O和CO2）及部份碳氢化合物，天然气、液化石油气、液态烃的干燥和脱硫；常用气体干燥。
再生：冷却。
- 脱有机物：用水蒸气代替有机物，然后脱除水份。
储存：室温，相对湿度不大于90%的室内：避免水、酸、碱、隔绝空气密闭保存。
包装：25Kg密封钢桶125Kg密封钢桶140Kg密封钢桶（条状）。
- 富氧分子筛
5A小型富氧分子筛是一种特制的5A分子筛，是专为医疗保健制氧机而生产的，该分子筛具有制氧纯度高、速度快、使用寿命长的特点，是5A分子筛在医疗保健行业的一个重要应用。
化学式：4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·2 SiO2
硅铝比：SiO2/Al2O3≈2
有效孔径：约5Å
应用：除具有一般5A分子筛的特性外，主要用于变压吸附制氧。
储存：室温，相对湿度不大于90%的室内：避免水、酸、碱、隔绝空气。
包装：30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶。
- XH系列制冷剂
XH-5分子筛主要用于R12、R22制冷剂的干燥和净化，提高制冷效果。
XH-7分子筛适用于冰箱、冰柜、空调用新型制冷剂R-134a及丁烷等制冷剂的脱水干燥。
XH-9分子筛适用于车船等用空调及冰箱冰柜等新型制冷剂的脱水干燥，是一种通用型的制冷剂用干燥剂。
储存：室温相对湿度不大于90%的室内：避免水、酸、碱、隔绝空气，密闭保存。
包装：35Kg密封钢桶、160Kg密封钢桶。
- 中空玻璃专用
中空玻璃通用型分子筛可以同时吸附中空玻璃中的水分和残留有机物，使中空玻璃即使在很低温度下仍然保持光洁透明，同时，能充分降低中空玻璃因季节和昼夜温差巨大变化所承受的强大内外压力差，彻底解决普通中空玻璃干燥剂易使中空玻璃膨胀或收缩而导致的扭曲破碎问题，充分延长中空玻璃的使用寿命。
主要用途：
吸附掉生产时密封于中空玻璃空气层内的水分及杂物。
在中空玻璃寿命期内连续吸附进入空气层内的水分，以保持和稳定中空玻璃内的低露点。
使用惰性气体（氩气和氮气）可以提高节能效果。为获得减少噪音及改善热传导效果而使用六氟化硫替代空气时，中空玻璃专用分子筛对六氟化硫几乎不吸附。
储存：室温，湿度不大于90%的室内：避免水、酸、碱、隔绝空气，密闭保存。
包装：30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶。
选型指南
（1）有机硫应该尽量在脱硫脱碳单元除去，并且要对进脱水单元的原料气的总硫含量进行详细研究，才能最大程度上保证分子筛脱水单元的正常运行。
（2）不管是3A分子筛还是4A分子筛，吸附时间都在824h之内，再生时间812h
（3）选择分子筛最关键的是需要确定原料气中是否含有COS等有机硫组分。在含有COS等有机硫组分的情况下，选择3A分子筛可以避免再生气中硫含量的剧增，可以减少有机硫在系统中的聚集；在不含有机硫组分的情况下，选择3A和4A分子筛均可，但由于4A分子筛能吸收H2S和其他S组分，故选用4A分子筛更能满足生产要求。
注意事项
分子筛储存的注意事项：
1.分子筛极易吸湿。保存时不应直接暴露在空气中，应放置于干燥处。存放时间较长的并已经吸潮的分子筛，在使用前应进行再生。
2.分子筛忌油及液态的水。油能堵塞分子筛的孔穴。特别是再生时，有可能使油份碳化，造成孔穴的堵塞。对含有油份的气体，应先将油气，油水分离后，再进行分子筛塔。由于分子筛在吸附水分时的热量放出，液态水直接与分子筛接触会有大量的热放出。可能发生危险，或破坏分子筛的性能。
3.带压工作的分子筛塔在进行再生切换时，应缓慢地将塔的内压降下来，如降压速度太快，可能导致分子筛颗粒破碎粉化。再生温度越高，则再生越安全，但同时再生的能量消耗也越大，且分子筛的寿命也可能因此而缩短。因此再生温度在200-350°C间较适宜。再生温度一般不应超过600°C，否则分子筛可能丧失活性。
装分子筛时的注意事项：
1、因氧化铝和分子筛有刺激性，在充填过程中需要带好手套、口罩、防护眼罩，进入吸附器一定要办理进塔入罐许可证，不允许单人进入，进时要穿戴好防护用品并配备空气呼吸器；
2、吸附剂有强烈的吸水性，与水接触能产生热量可把水加热至沸点，所以皮肤不能接触，特别是不能放嘴里或溅到眼睛里； 3、装填过程中扎好安全带，防止坠落。
4、从进入时，先进行成分分析，O2在19～23%，且应穿着干净无油的工作服，站在准备好的木板上面，防止损坏。污染吸附剂和丝网。