分子筛及其在溶剂脱水中的应用

李杰春

一、分子筛的品种型号
分子筛（又称合成沸石）是一种硅铝酸盐多微孔晶体，它是由SiO和AIO四面体组成和框架结构。在分子筛晶格中存在金属阳离子（如Na，K，Ca等），以平衡四面体中多余的负电荷。分子筛的类型按其晶体结构主要分为：A型，X型，Y型等。
A型
主要成分是硅铝酸盐，孔径为4A（1A=10 -10 米），称为4A（又称纳A型）分子筛；用Ca2+交换4A分子筛中的Na+，形成5A的孔径，即为5A（又称钙A型）分子筛；用K+交换4A分子筛的Na+，形成3A的孔径，即为3A（又称钾A型）分子筛。
X型
硅铝酸盐的晶体结构不同（硅铝比大小不一样），形成孔径为9—10A的分子筛晶体，称为13X（又称钠X型）分子筛；用Ca2+交换13X分子筛中的Na+，形成孔径为9A的分子筛晶体，称为10X（又称钙X型）分子筛
Y型
Y型分子筛具有X型分子筛烃似的晶体结构，但化学组成不同（硅铝比较大）通常用于催化领域。

二、分子筛的主要特性
1、物理特性:
比热:约0.95KJ/KgXK(0.23Kcal/KgX℃
导热系数(脱水物):2.09KJ/MXK(0.506Kcal/mX℃
水吸附热:约3780KJ/Kg(915Kcal/Kg)
2、热稳定性和化学稳定性:
分子筛能承受600—700℃ 的短暂高温,但再生温度一般在400℃ 以下。分子筛可在PH值5-10范围的介质中使用;在盐溶液中能交换某些金属阳离子。
3、分子筛的特性
分子筛是一类结晶的硅铝酸盐,由于它具有均一的孔径和极高的比表面积,所以具有许多优异的特点。(1)按分子的大小和形状不同的选择吸附作用,即只吸附那些小于分子筛孔径的分子。(2)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。(3)具有强烈的吸水性。哪怕在较高的温度、较大的空速和含水量较低的情况下,仍有相当高的吸水容量。
3.1、基本特性:
a)分子筛对水或各种气,液态化合物可逆吸附及脱附。
b)金属阳离子易被交换。
c)分子筛内部空腔和通道形成非常高的内表面积。其内表面可高于分子筛颗粒的外表面积的10000-100000倍。
1、根据分子大小和形状的不同选择吸附——分子筛效应
分子筛晶体具有蜂窝状的结构,晶体内的晶穴和孔道相互沟通,并且孔径大小均匀,固定(分子筛空腔直径一般在6—15埃之间),与通常分子的大小相当,只有那些直径比较小的分子才能通过沸石孔道被分子筛吸附,而构型庞大的分子由于不能进入沸石孔道,则不被分子筛吸附。而硅胶,活性氧化铝和活性碳没有均匀的孔径,孔径分布范围十分宽广,所以没有筛分性能。
2、根据分子极性,不饱和度和极化率的选择吸附
分子筛对于极性分子和不饱和分子有很高的亲和力;在非极性分子中,对于极化率在的分子有较高的选择吸附优势。此外,沸点越低的分子,越不易被分子筛所吸附。
3.2、分子筛的高效吸附特性:
分子筛对于H2O、NH3、H2S、CO2 等高分子极性具有很高的亲和力,特别是对于水,在低分压(甚至在133帕以下)或低浓度,高温(甚至在100℃ 以上)等十分苛刻的条件下仍有很高的吸附容量。
1、低分压或低浓度下的吸附
在相对湿度30% 时分子筛的吸水量比硅胶,活性氧化铝都高。随着相对湿度的降低,分子筛的优越性越发显著,而硅胶,活性氧化铝随着湿度的增加,吸附量不断增加,在相对湿度很低时,它们的吸附量很少。
2、高温吸附
分子筛是唯一可用的高温吸附剂。在100 ℃和1.3 %相对湿度时分子筛可吸附15%重量的水分,比相同条件下活性氧化铝的吸水量大10倍;而比硅胶大20倍以上。所以在较高的温度下,分子筛仍能吸附相当数量的水分,而活性氧化铝,特别是硅胶,大大丧失了吸附能力。
3、高速吸附
分子筛对像水等极性分子在分压或浓度很低时的吸附速率要远远超过硅胶,活性氧化铝。虽然在相对湿度很高时,硅胶的平衡吸水量要高于分子筛,但随着吸附质的线速度的提高,硅胶的吸水率越来越不如分子筛效率高。
3.3、分子筛的离子交换性
分子筛的一个重要性能是可以进行可逆的离子交换。通过这种交换,改进了分子筛的吸附和催化性能,从而获得了广泛的应用(如可用于软化水和废水处理)。
3.4、分子筛的催化性能
分子筛晶体具有均匀的孔结构,孔径的大小与通常分子相当;它们具有很大的表面积。而且表面极性很高;平衡骨架负电荷的阳离子,可进行离子交换;一些具有催化活性的金属也可以交换导入晶体,然后以极高的分散度还原为元素状态;同时分子筛骨架结构的稳定性很高。这些结构性质,使分子筛不仅成为优良的吸附剂,而且成为有效的催化剂和催化剂载体。

三、分子筛的主要技术指标及应用范围
沸石分子筛是一类由硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子相互连接成骨架结构、并具有均匀晶内孔道的晶态微孔材料。通常,天然的和人工合成的沸石分子筛指的是硅铝酸盐。
沸石分子筛不仅可应用于催化、吸附、分离等过程,还可用于微激光器、非线性光学材料及纳米器件等新兴领域,并在药物化学、精细化工和石油化工等领域有着广阔的应用前景。
分子筛主要应用品种有3A、4A、5A、13X以及以上述为基质的改性产品。
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。
改性分子筛可用于有机反应的催化剂和吸附剂。
加工工艺:利用现有的硅铝酸盐矿石或煤矸石等原料,经过粉碎、成型(可造粒或挤条)、高温烧结、用氢氧化钠、氢氧化钾或氯化钙等无机物水溶液在一定温度下浸泡一定时间、然后洗涤、压滤、粉碎、成型、养生、干燥、活化工艺加工而成。
颗粒度(mm,% ):分子筛的外观指标,颗粒度范围控制在:上,下限之间大于95% ;上,下限及上限加下限均不行超过5% 。
静态水吸附( mg/g):分子筛的主要指标。静态水吸附量的多少,基本上体现了该分子筛的品质。静态水吸附的范围一般在200-265mg/g 之间。
吸附特定介质量(mg/g ):分子筛的主要指标。不同的分子筛都要按其主要用途和其标准孔径,由一种特定的介质来进行检测,检测的结果,将直观表明该分子筛的品质的优劣。
抗压强度(N/颗):分子筛的主要指标。由于使用分子筛的工况条件大多是压力差较大(特别是吸附与再生切换时),如果分子筛的抗压强度不符合要求,极易造成分子筛的破损,除影响分子筛的使用寿命外,还可能使设备管道堵塞造成严重后果。抗压强度与吸附容量基本上呈反比关系。如何在保证吸附容量的基础上提高抗压强度,也是提高分子筛质量的关键。
堆积密度(g/ml ):分子筛的主要指标。堆积密度与抗压强度基本上呈正比关系,在吸附容量不变的情况下,堆积密度越大越好。
磨损率(% ):分子筛的外观指标。磨损率越低,分子筛的粉尘就越少,在使用中的不良情况越少,分子筛的品质就好。
包装含水量(% ):包装含水量越小,表明分子筛在储存和运输过程中的预吸附越少,对用户来讲,除了省却不必要的再生处理外,它的价值更大。
1、 3A分子筛
(1)概述　裂解气中一般含有400-700PPm的水份,这些水份在深冷分离操作时会结成冰,另外在高压和低温条件下,水还能与低碳烷烃(如:CH4、C2H6及C3H8等)生成白色结晶的烃水合物。而冰与烃水合物的晶体均可导致辞管道及设备堵塞,以至造成停车。因此,石油裂解气在深冷分离之前必须进行深度脱水干燥,使裂解气中的水含量降低到小于5PPm(即其露点低于——60℃)。目前国内处公认并普通采用的最为理想的深度干燥吸附剂为3A沸石分子筛,由于它只吸附裂解气中的水,不吸附较大的烃类分子(如:C2H6、C2H4、C3H8及C3H6等),因而可以避免烯烃化合物在分子筛孔道内部结焦,从而延长吸附剂的使用寿命。
　2、4A分子筛
　　用途:用于氟里昂制冷剂的干燥及其它分子尺寸大于4.8?的物质的脱水干燥。
4A分子筛主要技术条件(球形)
3、5A制(富)氧分子筛
　　用途:用于空分制氧工业上做高效的氧氮分离吸附剂,其生产的氧纯度可根据需要控制在50-90%之间。
　4、5A脱蜡分子筛
　　用途:广泛用于石油及其馏份中分离正构烷烃(即脱蜡)。脱蜡后的油品质量具有低冰点的航空煤
油的优良性能,分离出的正构烷烃(石蜡)可作为合成洗涤剂的化工原料
　5、13X分子筛
　　用途:用于石油气与天然气的脱硫(H2S,SO2,硫醇及噻吩),同时又是一种极好的干燥剂
　6、13X空分分子筛
　　用途:用于空分行业纯化空气中氧氮原料气具有极高的效能,它能把空气中影响氧氮分离性能的少量CO2及H2O杂质彻底脱除,是空分行业配套的专用吸附剂。

zlgs

1A=10 -10 米?

xjf414464777

好东西 顶顶

kfjs

呵呵，不错。感谢分享！

kuailegxb

好东东                              

恋桥0823

多谢楼主分享

benbennl

学习，谢谢分享，楼主辛苦了！！！！！！！！！！！！！

金强

不错的帖子，拜读了

邓磊磊88888

非常好！感谢！学习了！