分子篩是一種硅鋁酸鹽的晶體，具有許多孔徑大小均一的微孔，骨架通常帶負(fù)電荷，孔道中具有平衡骨架負(fù)電荷的陽(yáng)離子。較早發(fā)現(xiàn)的分子篩是天然沸石，人們發(fā)現(xiàn)在火山口附近開(kāi)采的礦石，經(jīng)過(guò)加熱后會(huì)產(chǎn)生氣泡，因而稱(chēng)之為沸石。20世紀(jì)30年代，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司首先人工合成了4A和13X分子篩，并將分子篩作為干燥劑應(yīng)用于石化領(lǐng)域。后聯(lián)碳公司陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Y型分子篩等，并將之應(yīng)用于催化領(lǐng)域，代替以前應(yīng)用的硅鋁小球，使汽油產(chǎn)率提高15%以上，當(dāng)時(shí)全世界每年原油用量4億噸，并產(chǎn)生80億美元的經(jīng)濟(jì)效益。后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)ZSM，磷鋁，MS41，全硅沸石等系列分子篩，并在石油化工領(lǐng)域，干燥等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。可以這么講，沒(méi)有分子篩就沒(méi)有現(xiàn)在的石油化工業(yè)?，F(xiàn)在分子篩催化是化學(xué)學(xué)科中至關(guān)重要的優(yōu)先領(lǐng)域，是煉油和環(huán)?？茖W(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。

分子篩具有孔徑大小均一的微孔，依據(jù)其晶體內(nèi)部孔穴的大小而吸附或排斥不同物質(zhì)的分子，因而被稱(chēng)為“分子篩”。分子直徑小于分子篩晶體孔穴直徑的物質(zhì)可以進(jìn)入分子篩晶體，從而被吸附，否則被排斥。分子篩還根據(jù)不同物質(zhì)分子的極性決定優(yōu)先吸附的次序。一般地，極性強(qiáng)的分子更容易被吸附。分子篩的類(lèi)型多達(dá)幾十種，但目前能大規(guī)模生產(chǎn)并獲得廣泛應(yīng)用的是A型、X型和Y型、M型和ZSM系列等幾類(lèi)。其中，3A、4A、5A型分子篩均為8元環(huán)的孔道，4A型分子篩是一種硅鋁酸鈉，其微孔的表現(xiàn)直徑約為4.2A，能吸附直徑在4.2A以下的分子。3A為用K離子交換的 4A分子篩，孔徑為3.8A。5 A型分子篩為鈣交換的是4A分子篩，其微孔表現(xiàn)直徑為5.0A，能吸附5.0A以下的分子。13X、Y和M型分子篩的主孔道為12元環(huán)，大小為10A左右。ZSM-5為10元環(huán)孔道，是一種擇型催化劑。

同時(shí)分子篩又是一種硅鋁酸鹽無(wú)機(jī)化合物，能夠耐高溫，具有良好的熱穩(wěn)定性，為再生提供了方便，可多次重復(fù)利用。骨架不被微生物等分解。由于具有以上所述優(yōu)點(diǎn)，因此分子篩的用途廣泛。它既是一種新型的**能選擇性微孔型吸附劑，也是一類(lèi)性能優(yōu)異的催化劑和催化劑載體。作為干燥劑，分子篩具有很強(qiáng)的干燥性能和良好的吸附性能，同時(shí)具有良好的擇型作用，因此分子篩干燥劑廣泛應(yīng)用于石油煉制(Refining)，石油化工(Petrochemical)，深冷制氧（cryogenic），天然氣干燥和脫硫，中空玻璃（IG），冷凍（refrigeration），變壓吸附制氧，PVC塑料穩(wěn)定劑，煙草行業(yè)過(guò)濾嘴，作為離子交換劑脫除放射性物質(zhì)等。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的全硅沸石親油分子篩已開(kāi)始用于環(huán)保行業(yè)處理廢水和鍋爐廢氣。?
分子篩內(nèi)部具有很強(qiáng)的電場(chǎng)梯度?
分子篩的骨架部分主要成分為硅氧四面體和鋁氧四面體，由于鋁的化合價(jià)是3，所以鋁氧四面體AlO4中有一個(gè)氧原子的價(jià)沒(méi)有得到平衡，這樣就使整個(gè)鋁氧四面體帶有負(fù)電荷，為了保持電中性，在鋁氧四面體的附近必須有帶正電荷的金屬離子來(lái)抵消它的負(fù)電荷。帶正電荷的金屬離子和帶負(fù)電荷的分子篩骨架之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)，從而對(duì)分子篩的吸附性能產(chǎn)生巨大的影響。分子篩對(duì)極性物質(zhì)的吸附能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于非極性物質(zhì)，同時(shí)由于強(qiáng)大電場(chǎng)的作用，對(duì)于含有雙鍵或大π鍵的物質(zhì)，通過(guò)誘導(dǎo)極化作用，也具有相當(dāng)?shù)奈侥芰ΑＭǔｊ?yáng)離子所帶的電荷越多，離子半徑越小，產(chǎn)生的電場(chǎng)越強(qiáng)，對(duì)雙鍵的誘導(dǎo)作用也變大，對(duì)這類(lèi)物質(zhì)的吸附能力也越大。例如，5A分子篩對(duì)乙烯，丙烯等烯烴和炔烴能夠進(jìn)行大量吸附。?
分子篩純化器的裝填和吸附?
根據(jù)床層設(shè)計(jì)，可以將分子篩純化器分為三種：立式，臥式和環(huán)形。?
立式床的特點(diǎn)為緊湊體積小，占地面積小，但氣流分布容易不均勻。見(jiàn)于立式床的橫截面積的有限性，立式床的床層通常較高，分子篩一般采用4*8目或1/8”條，以減少分子篩氣流的阻力，防止床層受到氣流沖擊發(fā)生床層反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(Bed lifting)。立式床一般用于3000m3/h以下的小空分。臥式床同樣為圓柱形，使用時(shí)是臥式的，分子篩裝填于中間部分，臥式床的分子篩的裝填高度0.8-1.2米，可以減少Bed lifting的產(chǎn)生，采用多個(gè)進(jìn)氣口進(jìn)氣，氣流分布比較均勻，為3000m3/h以上的大空分使用。環(huán)形分子篩純化器是將分子篩裝填在一個(gè)環(huán)形的空間內(nèi)，從環(huán)形內(nèi)部進(jìn)空氣，從外部出氣。環(huán)形裝填方式可以有效防止床層受到氣流沖擊發(fā)生反轉(zhuǎn)，保證純化器的正常運(yùn)行。?
分子篩對(duì)水分的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)CO2的吸附能力，因此吸附水分后的分子篩再生時(shí)需要的再生溫度較高。小空分純化器的再生采用電加熱，可以加熱至250℃左右較高的溫度，分子篩的再生比較徹底。大空分純化器的再生通常采用中壓蒸汽加熱，一般加熱溫度在170-185℃，吸附的水分很難再生完全或者再生需要很長(zhǎng)的時(shí)間，因此大空分純化器在分子篩床層之前通常裝填三氧化二鋁，用來(lái)吸附水分。活性氧化鋁對(duì)水分的吸附能力比分子篩弱的多，需要的再生溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分子篩，蒸汽加熱完全可以使活性氧化鋁再生完全。?
分子篩床層裝填的平整度嚴(yán)重影響床層的穿透時(shí)間，保證床層的裝填均勻平整，可以有效保證分子篩床層的使用時(shí)間。通常分子篩裝填時(shí)每一大桶分子篩倒入后，攤平，然后再倒下一桶。由于分子篩對(duì)水分的吸附很快，因此裝填時(shí)應(yīng)選擇晴朗干燥天氣，盡量減少分子篩對(duì)水分的吸附。床層裝填完成后，根據(jù)使用的分子篩情況，一般需要再生一次，然后準(zhǔn)備投入使用。?
一般大空分裝置在分子篩純化器前都裝有空氣預(yù)冷系統(tǒng)，在進(jìn)純化器前將空氣預(yù)冷至6-10℃。通過(guò)預(yù)冷一方面可以大大減少空氣中的水分含量，另一方面可以增加分子篩床層對(duì)CO2的吸附量。?
在壓力較低時(shí)，氣體的粘度大。在純化器的充壓階段，應(yīng)該緩緩打開(kāi)進(jìn)氣閥，**禁止突然開(kāi)啟。突然開(kāi)啟，純化器中突然進(jìn)入大量氣體，容易造成Bed lifting使床層掀翻。床層達(dá)到預(yù)定壓力后，可以進(jìn)行正常吸附。?
分子篩純化器在使用過(guò)程中，通常需要對(duì)其進(jìn)口和出口溫度加以監(jiān)控。在吸附過(guò)程中，由空氣進(jìn)出純化器溫度的變化所形成的兩條曲線(xiàn)被稱(chēng)為“吸附溫度曲線(xiàn)”。在再生過(guò)程中，由污氮?dú)膺M(jìn)出純化器溫度的變化所形成的兩條曲線(xiàn)被稱(chēng)為“再生溫度曲線(xiàn)”。分子篩純化器運(yùn)行的好壞，都會(huì)在其溫度曲線(xiàn)上有所體現(xiàn)。因而，在分子篩純化器的運(yùn)行過(guò)程中，認(rèn)真檢查和分析溫度曲線(xiàn)，具有很重要的實(shí)際意義。一般情況下，只要空氣預(yù)冷系統(tǒng)正常，空氣進(jìn)純化器溫度就不會(huì)變化，因而溫度曲線(xiàn)是一條水平的直線(xiàn)。而空氣出純化器溫度除剛開(kāi)始的一段時(shí)間較高處，以后變化也極小，因而也近似是一條直線(xiàn)。?
空氣在經(jīng)過(guò)純化器后，溫度會(huì)有所升高。這是因?yàn)榭諝庵械乃趾投趸急环肿雍Y吸附，而吸附是個(gè)放熱過(guò)程。對(duì)于全低壓流程空分設(shè)備而言，空氣進(jìn)純化器壓力在0.6Mpa（G）左右。如果空氣預(yù)冷系統(tǒng)配有冷凍機(jī)，則空氣進(jìn)純化器溫度約為6-10℃。在這種情況下，空氣進(jìn)出純化器溫度之差約為3-4℃。在分子篩純化器由再生轉(zhuǎn)為使用，吸附工作剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，空氣出純化器溫度較高，這時(shí)出口溫度要比進(jìn)口高出近20℃。這種現(xiàn)象在大多數(shù)情況下并不是由于再生過(guò)程中的冷吹不徹底造成的，而是由于純化器在切換至使用前的充壓過(guò)程造成的。在空分設(shè)備中用于吸附水分和二氧化碳等13X分子篩，除對(duì)極性分子如水和二氧化碳等具有吸附能力外，對(duì)非極性的氮?dú)夂脱鯕庖灿幸欢ǖ奈阶饔?。充壓過(guò)程是一個(gè)壓力上升的過(guò)程，隨著壓力升高，分子篩的靜吸附容量增大，更多的氮?dú)夂脱鯕獗环肿雍Y所吸附。而這個(gè)過(guò)程同樣是個(gè)放熱的過(guò)程，這種放熱使得分子篩床層溫度升高。當(dāng)充壓后的純化器轉(zhuǎn)為使用時(shí)，空氣將分子篩床層的熱量帶出來(lái)，從而引起出口溫度的升高。另外保溫層中殘余熱量也會(huì)造成分子篩床層的溫升現(xiàn)象。有的空分設(shè)備中，采用增加一個(gè)“混合”步驟，可以減少這種溫度波動(dòng)對(duì)主換熱器的不利影響。“混合”步驟是指剛再生過(guò)的純化器投入使用后，原在吸附工作的純化器繼續(xù)使用，并列運(yùn)行一段時(shí)間。這樣由于從原使用的純化器中出來(lái)的空氣溫度是較低的，混合在一起的空氣溫度也就不至于會(huì)象單獨(dú)使用一個(gè)純化器那樣高了。

如果空氣進(jìn)純化器溫度升高，則溫差也相應(yīng)會(huì)有所增大，這是因?yàn)榭諝鉁囟壬呤沟每諝庵兴吭龆唷Ｈ绻诩兓魇褂眠^(guò)程中（剛開(kāi)始使用的一段時(shí)間除外），出純化器空氣溫度突然升高，而進(jìn)純化器溫度和壓力卻較為穩(wěn)定，這種情況往往顯示空氣已經(jīng)將空冷塔的水帶入分子篩純化器了。分子篩對(duì)水分的吸附能力較強(qiáng)，吸附水分的放熱也是較大的。純化器的溫升對(duì)水分是非常敏感的。