分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-04-06 06:08:52

分子筛吸附剂在炼油和石化领域具有重要作用。目前全球炼油能力达到 50.65 亿吨/年,其中中国炼油能力增长到 9.1 亿吨/年,将成为全球炼油能力最大的国家。炼油过程是将混合物通过分馏、转化等工艺,生成汽油、煤油、柴油、 润滑油等产品的过程,包含常减压、催化裂化、加氢裂化等装置。分子筛已成为炼油过程中广泛使用的吸附剂之一, 广泛应用于液化石油气(LPG)的干燥和脱硫、石脑油和煤油的干燥、烷基化原料的干燥、炼厂气的干燥、对原料和 再生氢气的干燥和净化等过程,从而有助于获得杂质含量更低的产品、降低酸消耗、防止下游设备的腐蚀,滤除从催 化剂中再生出来的氯和防止重整气体在深冷加工时发生管线冻堵。

在石油化工领域,分子筛吸附剂可用作干燥剂,对乙烯、苯乙烯等物料进行有效脱水,从而获得高纯度的化工原料, 提升化工产品的质量;同时分子筛还可帮助去除众多工艺过程中的微量污染物,可用于硫、氮混合,氧化工艺,汞处 理工艺,溶剂、共聚单体处理等工艺中。

分子筛可有效除去天然气中的酸性气体及水蒸气。天然气在自然形成和开采过程中会形成的不同浓度硫化氢气体,该 气体是一种无色的剧毒性气体;另外从油气田中提取出来的天然气含有一定量的水,天然气中酸性物质(如 H2S、CO2) 和水结合形成酸性溶液,很容易导致管道传输速度降低,并且会腐蚀管道,因此 CO2、H2S 及水蒸气的脱除是天然 气净化过程的必要环节。分子筛脱硫法在当下天然气脱硫中应用较为广泛,工业化程度较高,这种方法通常用于一些 含硫量比较低的天然气中,在实际应用中当天然气水分含量较高时,为保障分子筛脱硫质量,可采用三甘醇脱水与分 子筛脱硫工艺相结合的方式,进而切实落实天然气的有效净化。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(9)

吸附式制冷系统常用分子筛吸附剂。吸附式制冷具有结构简单、无运动部件、噪卢低、寿命长等特点,能有效利用低 品位热能(如工业余热、发动机尾气、太阳能等),同时不使用氟利昂类制冷剂,对环境友好,日益受到重视。装有 吸附剂的吸附床是吸附式制冷系统的核心,其换热性能对系统的运行性能影响较大,这是因为吸附床换热系数直接影 响吸附床的升温与降温速率,对于同样的热源和冷源温度,如果吸附床的换热性能好则吸附床的吸附容差大,制冷功 率就大,因此吸附床的强化传热是吸附式制冷研究的重要内容之一。沸石分子筛是常用的吸附剂,可以与水、氨组成 吸附工质对,将随着空调、冰箱等制冷家电需求提升逐渐增长。

分子筛对于中空玻璃的质量和使用寿命至关重要。中空玻璃具有较好的隔热、隔声、防结露的性能,近年来受到建筑 行业的欢迎,2021 年我国中空玻璃产量 1.59 亿平方米,同比增长 8.90%。干燥剂是中空玻璃的核心构件之一.主要 用来保持中空玻璃内部空气层的干燥,避免中空玻璃内部出现结雾。目前全球 95%以上的中空玻璃采用 3A 分子筛作 干燥剂,主要作用为:(1)吸附中空玻璃制作时内腔密封空气层中的水分;(2)吸附后期通过密封胶向中空玻璃内部 渗透的水份,保证中空玻璃使用期间不出现结雾、结霜等现象,避免中空玻璃失效;(3)与其它特种分子筛联合使用, 吸附中空玻璃内部空气层中密封胶所释放的挥发组份,避免化学雾的产生。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(10)

三、分子筛催化剂附加值高,未来发展空间更广阔

1、我国催化剂行业进口依赖度高,国产替代空间大

催化剂是影响化学反应的重要媒介,分子筛催化剂重要品种之一。约有 90%以上的工业过程涉及催化剂使用,包括 化工、石化、生化、环保等多个领域。按照反应体系相态划分,催化剂可以分为均相催化剂和多相催化剂,其中多相 催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化 剂、纳米催化剂等。大部分催化剂由活性组分、承载活性组分的载体以及提高催化性能的助催化剂组成,一种成功的 商业化的催化剂产品需要经历大量的试验筛选,涉及金属、化合物、促进剂、载体等,并且商业化成功的催化剂产品 作为企业或科研机构的核心“know-how”,部分催化剂产品存在垄断现象。

催化剂在下游行业中作用关键且成本占比较低,属于高附加值产品。典型煤制烯烃项目或外购甲醇制烯烃项目中,催 化剂相关化学品占生产成本的比重仅为 4%~8%,下游生产企业更加注重催化剂性能,对产品价格接受度高。催化剂 性能目标包括其反应活性、收率、稳定性和使用寿命等,并且随着人们对生态环境和健康认知程度的提升,对催化剂 的可持续发展性能,例如绿色化、零排放、环境相容性等指标也变得更加重要。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(11)

分子筛催化剂是以分子筛作为活性组分或载体的催化剂。分子筛催化剂又称沸石催化剂,其具有独特而均一的孔道结 构、较大的比表面积、较强的酸中心和氧化-还原活性中心、孔道内有能起极化作用的强大库仑场,因此分子筛是性 能优异的催化剂和催化剂载体。不同晶型的分子筛载体对不同活性组分及助催化剂有担载选择性,根据不同分子筛的 特性,能够进一步加工生产成为不同用途的催化剂;同一种晶型的分子筛也能够进行不同改性处理后适用于不同的催 化反应过程。分子筛催化剂作为固体催化剂,易于回收处理,且无毒无味、无腐蚀性,是环境友好型的新型催化材料。

高性能是分子筛催化剂进行催化的最基本的要求和目标。分子筛的催化特性对催化反应的催化活性要求很高。催化活 性要求分子筛的比表面积大、孔的分布要求要均匀、且孔的直径要可调解,同时分子筛结构要稳定、机械强度高、热 稳定性要很好,活化再生后要可重复使用。此外,分子筛催化剂的高效催化特性对沸石分子筛材料、催化材料与反应 工艺、反应工程系统的结合方式等方面提出了更多的要求。

分子筛催化剂产品种类较多,主要用于环保和化工等领域。按孔径大小分类,分子筛催化剂可以分为微孔分子筛、介 孔分子筛、大孔分子筛三种,其中微孔分子筛具有强酸性和高水热稳定性,但因为孔径非常小,导致扩散阻力大;介 孔分子筛具有比表面积高、吸附容量大、孔径大的特性,缺陷是酸性较弱。按照微观骨架结构分类,分子筛催化剂可 以分为 BEA 结构、CHA 结构、AEI 结构、MFI 结构等多种类型分子筛,而同种骨架结构下的分子筛又可划分为不同 种类,如 CHA 结构分子筛包括 SSZ-13 分子筛、SAPO-34 分子筛等。按照应用领域分类,分子筛催化剂可以分为环 保催化分子筛(汽车尾气催化分子筛)、石油化工催化分子筛和煤化工催化分子筛。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(12)

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