空分分子筛
制氧空分系统分子筛吸附器的优化应用
制氧空分系统分子筛吸附器的优化应用摘要：某厂制氧作业区现有21000m3/h型空分4套，空分设备采用分子筛吸附净化、透平膨胀机制冷、规整填料塔上塔、全精馏制氩流程，配属分子筛吸附器采用卧式双层结构，分子筛系统作为空分设备的关键设备，2021年前4套空分分子筛内主要装填分子筛13X1/16和活性氧化铝D201 3-5mm小球，该分子筛在空分运行过程中存在冷吹峰值在85℃-100℃之间，分子筛运行过程中存在能耗较高现象，通过技术交流后对现有分子筛进行优化。
关键词：制氧空分系统；分子筛吸附器1分子筛在空分系统中的应用1.1 分子筛的特点1)吸附力极强，对水和气体具有可逆吸附性。
2)分子筛的干燥程度高，当高温和高流速的气体通过时，分子筛能对其进行充分的烘干。
3)分子筛具有良好的稳定性和耐高温性，当温度低于200℃时，分子筛都能保证正常的吸附容量。
同时，分子筛的使用寿命也很长，正常情况下，可以达到2-3年。
4)分子筛不仅可以吸附气体中的水分，同时，它对气体中的乙炔和二氧化碳也有一定的吸附作用。
在全低压大型空分装置上采用分子筛流程，分子筛吸附器一般采用13X分子筛。
1.2 分子筛流程的空分特点1)切换式换热器净化流程在清除气体中的水分、乙炔等杂质时，需要设置吸附器及相应的液氧泵等，流程繁琐，而分子筛使工艺流程大大简化，该流程因为不需要添加其他的吸附器，使相应的管道阀门数目减少，日常维护保养、操作、故障点相应减少。
2)相较于切换式换热器净化流程，分子筛流程的设备故障率较低，设备使用寿命也更长，因为分子筛流程采用的是主热交换器，不用频繁工作切换阀，另外，主热交换器不受交变应力影响。
3)切换式换热器净化流程在设备启动阶段，需要考虑水分、二氧化碳是否在设备内冻结，而分子筛流程则不需要考虑这个问题，使启动操作简化。
4)切换式换热器的切换时间只有8分钟左右，分子筛吸附流程切换时间可延长到4小时左右，因此，分子筛吸附器可以有效的较少空气的切换损失，从而提高氧气的吸附率。
空分分子筛培训
启动前的准备工作
检查设备各部件是否完好， 确认电源、气源等供应是 否正常。
启动步骤
按照操作规程逐步启动设 备，包括开启电源、启动 冷却系统、启动控制系统 等。
停车步骤
在设备正常运行状态下， 按照操作规程逐步停车， 包括关闭控制系统、停止 冷却系统、切断电源等。
正常运行监控参数调整
监控参数
密切关注设备运行过程中各项参数的变化，如温度、压力、 流量等。
学员普遍认为本次培训内容充 实，理论与实践结合紧密，收
获颇丰。
通过与同行交流，拓宽了视野 ，增进了对空分分子筛领域的
了解。
实验操作环节让学员亲身体验 了空分分子筛的实际应用，加
深了对理论知识的理解。
部分学员表示，希望未来能够 举办更多类似的培训活动，以
便持续学习和提升。
未来发展趋势预测
随着环保要求的日益严格，空分分子 筛在气体分离和净化领域的应用将更 加广泛。
01
掌握了空分分子筛的基本 原理和工作机制，包括吸 附、脱附等关键过程。
02
学习了空分分子筛的选 型、设计、安装和调试 等实用技能。
03
通过案例分析，了解了空 分分子筛在实际应用中的 常见问题及解决方案。
04
进行了实验操作，熟悉 了空分分子筛的性能测 试和维护方法。
学员心得体会分享
01
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空分分子筛的智能化、自动化程度将 不断提升，以适应工业4.0的发展趋 势。
新型空分分子筛材料的研发将成为未 来发展的重要方向，以提高吸附性能 和降低能耗。
空分分子筛的回收利用和再生技术将 得到更多关注，以实现资源的可持续 利用。
持续学习提升建议
关注行业动态，及时了解空分分子筛领域的新技术、新 产品和新应用。
空分分子筛失效后的判断及处理
空分分子筛失效后的判断及处理摘要：空分分子筛系统在工作过程中，受到操作因素、天气因素、系统结构因素以及系统调整因素的影响，容易引发系统工作故障，一旦发生故障会导致整个空分分子筛系统紊乱，对整个空分分子筛系统的工作会造成不利影响。
因此，应当对产生故障的原因及故障类型进行认真分析并制定具体的应对策略，以保证空分分子筛系统在工作中，整体的工作质量能够满足稳定性要求，提高空分分子筛系统故障的处理效果，解决分子筛纯化系统的工作故障问题，满足空分分子筛系统的工作需要。
关键词：空分分子筛系统；常见故障；处理措施1空分分子筛系统的常见失效故障分析1.1操作不当使空分分子筛系统发生故障空分分子筛系统在工作过程当中，必须按照规范流程操作。
考虑到空分分子筛系统结构复杂、操作难度大的特点，在实际操作过程当中，必须要保证整个操作流程符合规范条件。
如果操作手段违规或者操作方法不正确，极容易导致空分分子筛系统紊乱，对整个空分分子筛系统的工作和纯化系统的安全稳定运行带来不利影响。
从目前故障的发生来看，操作不当导致空分分子筛系统发生故障主要表现在空分设备停机之后，没有对预冷系统进行水线隔离处置，空压机气侧排水常开疏水阀出现大量水。
这一故障的原因主要是常温水泵的进出口阀门没有关严，系统冷却水通过水泵进入空冷塔，水位逐渐上升，进入空气管道后，经空压机气侧排水常开疏水阀排出大量水。
因此，这一故障的解决应当从调整操作方式的角度予以排除。
1.2空冷塔液位变送器冬天堵塞导致分子筛吸附器进水空分分子筛系统在工作过程当中对温度有严格的要求，如果运行环境温度过低会导致空冷塔的液位变送器发生堵塞的情况。
例如，在冬季空分设备在运行过程当中，如果室外的温度低于-20℃，那么空气预冷系统及室外仪控设备的运行会受到较大的影响，其中空气预冷系统的空冷塔、水冷塔和水泵等装置应当放置在室内，并采取保温措施。
而有些设备在设计过程当中存在缺陷，将其置于室外，再遇到低温天气时容易引发空冷塔液位变送器因冷冻而造成的阻塞故障。
空分装置分子筛系统讲义解读
二、分子筛床吸附原理
• • • • • 1、吸附净化器结构 2、分子筛 3、活性 氧铝 4、吸附 5、吸附进程
1、分子筛吸附床结构
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2、分子筛
• 1、分子筛成分 • 2、分子筛种类 • 3、分子筛结构
2.1分子筛特性
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气相吸附示意图
2.2、分子筛选择性
• 1、分子筛吸附的选择性 • 2、分子筛对H2O，C2H2，CO2的亲和力大小
分子筛系统开车安全事项
安全事项
• 5.3安全注意事项 • 5.3.1防止空压机加压过快或者压力来回波动，切实保护分 子筛床层免受冲击，以免破坏床层和内部结构，造成设备 无法运行的事故。 • 5.3.2防止空气带大量的游离水进入分子筛系统。 • 5.3.3严禁无气通电。
六、事故案例分析及处理
• 典型故障 • 6.1 阀门故障（堵塞，泄漏等） ； • 6.2 升压和降压期间，由于压力调节开关动作失常导致循 环中止 ； • 6.3 加热与冷却超时（再生气量不足） ； • 6.4 再生温度太低（再生气量太大，加热器功率不够） ； • 6.5 两台吸附器的压降不等（分子筛破碎程度不一，分子 筛加装量不一样），切换行期间引起进冷箱空气冷箱的压 力波动，给装置调节带来困难 ； • 6.6 吸附剂破损现象，即由于受气流冲击使吸附剂颗粒破 碎，形成粉尘（降压，升压速度过快）。
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2号分子筛活化恢复的情况 分子筛进水以后的活化，关键是要设法提高再生温度。平常加温气进口温度保证 160℃即可保证完全解析，在这样的特殊情况下若再生气进口温度能达到190~200℃， 那么解吸将能达到最佳效果，冷吹峰值可达到150℃以上。有条件的话，可考虑增开蒸 汽加热器、多开一台电炉等办法来提高温度。 这次在活化2号分子筛的过程中，从第三个周期开始前将调功柜温度设定值提高到了 190℃，加温气进口温度保持180℃以上，效果显著增强，冷吹峰值变化明显，详情如 下： 第一个周期冷吹峰值有37℃（调功柜温度设定为175℃，平时为173℃）加温气进 口温度165℃，出口温度最低值18℃；说明解析很不理想。 第二个周期，将调功柜温度设定到180℃，加温气进口温度上升到170℃，气体出 口最低值3℃，说明解析量增多了，但不完全，最后冷吹峰值是37℃。 到第三个周期，，将调功柜温度设定到190℃， 加温气进口温度达到了180℃，加 温气出口最低值2℃。这时，我们考虑解析条件已能基本保证，于加温阶段结束后，开 始向系统导气。本周期冷吹峰值达到48℃。 第四个周期，冷吹峰值达到61℃。 在后续的几个周期，冷吹峰值逐渐递增，分别达到93℃、112℃、127℃、133℃；2 号分子筛的工作时间在7月30日中班达到了3.5h（空气量90000 m3/h），其吸附能力 在逐渐恢复之中。
空分工艺中分子筛的作用
空分工艺中分子筛的作用在空分工艺中，分子筛作为一种重要的催化剂和吸附剂，发挥着关键的作用。
分子筛具有具有特殊孔道结构的多孔材料，通过选择性吸附和分离分子，从而实现气体和液体的分离、催化转化和纯化等功能。
以下将详细探讨分子筛在空分工艺中的作用。
首先，分子筛在空分工艺中起到了分离和纯化的作用。
空分工艺一般用于从空气中分离出氧、氮等气体。
而分子筛可以根据不同分子的大小、形状和亲和性，通过选择性吸附和分离气体分子。
在空分工艺中，常用的分子筛有A型分子筛、X 型分子筛等。
例如，在氢氧化铝负载的A型分子筛中，由于氮分子的大小适中，可以通过选择性吸附来分离氮氧混合物中的氮气和氧气。
其次，分子筛在空分工艺中发挥着催化转化的作用。
催化剂是指能够加速化学反应速率、提高反应选择性的物质。
空分工艺中的催化反应主要包括气相氧化、羰化、甲醇合成等反应。
分子筛作为一种催化剂载体，在反应中起到提供活性中心、增加反应活性和选择性等作用。
分子筛的孔道结构可以提供充分的反应表面，并且其孔径大小能够实现对不同分子的选择性吸附。
此外，分子筛还可以通过调控催化剂表面酸碱性质，来实现对反应活性和选择性的调节。
另外，分子筛还能在空分工艺中实现催化反应与吸附分离的复合操作。
在某些反应过程中，产物与未反应物之间具有相似的物理化学性质，通常需要通过分离纯化来获得高纯度的产物。
分子筛的孔道结构可通过对产物和副产物的选择性吸附来实现分离纯化。
此外，分子筛还可通过调整反应条件来实现催化转化与吸附分离的复合操作，从而减少生产流程、降低生产成本。
此外，分子筛还能通过改变其结构和性质来实现对其催化和吸附性能的调控。
分子筛的结构参数，如孔径、孔道长度、孔道连接性等，可以通过合成方法、掺杂以及后处理等手段进行调控。
例如，通过调节分子筛的孔径大小，可以实现对不同分子的选择性吸附和分离；通过改变分子筛的结构形貌，可以增加反应表面积和催化活性；通过引入稀土、负载金属等掺杂物，可以调控分子筛的酸碱性及催化活性等。
几种常见分子筛的用途
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
几种常见分子筛的用途
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，所以具备许多优异的特点。
(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。
在较高的温度、较大的空速和含水量较低的情况下，仍有相当高的吸水量。
下面介绍几种常见分子筛的用途。
1、3A 分子筛
裂解气中一般含有400-700ppm 的水分，这些水分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管道及设备堵塞，以致造成停车。
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℃)。
目前国内外公认并普遍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分子，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：用于氟利昂制冷剂的干燥及其他分子尺寸大于4.8 的物质的脱水干燥。
3、5A 制(富)氧分子筛。
空分中分子筛结构
分子筛具有良好的热稳定性和化学稳 定性，能够在高温、高压、强酸、强 碱等恶劣条件下保持稳定的结构和性 能。
使用寿命
分子筛的使用寿命受多种因素的影响 ，如原料质量、制备工艺、使用条件 等。优质的分子筛在正确使用和维护 下能够保持较长的使用寿命。
03
空分中常见类型分子筛介绍
A型分子筛
01
02
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种类
根据孔径大小和化学组成的不同，分 子筛可分为多种类型，如A型、X型、 Y型等。
性质
分子筛具有均匀的微孔结构，孔径大 小与一般分子大小相当，能够根据分 子的大小和极性进行选择性吸附。
分子筛在空分中应用
吸附杂质
提高纯度
在空分过程中，分子筛主要用于吸附空气 中的水分、二氧化碳等杂质，以保证后续 精馏过程的顺利进行。
提纯等。
Y型分子筛
01
化学组成
Y型分子筛的化学组成为Na2O·Al2O3·SiO2·nH2O，具有八面沸石结构
。
02
孔径大小
Y型分子筛的孔径为7.4A，能够吸附分子直径小于7.4A的物质，如烯烃
、烷烃等。
03
应用领域
Y型分子筛主要用于催化裂化、加氢裂化、异构化等石油炼制过程，也
用于气体和液体的分离、提纯等。此外，Y型分子筛还广泛用于环保领
晶体结构
分子筛的晶体结构由硅氧四面体和铝氧四面体通过共享氧原 子连接而成，形成了三维的骨架结构。这种结构中存在大量 的空旷骨架和均匀的孔道，使得分子筛具有筛分分子的能力 。
晶体形态
分子筛的晶体形态多样，常见的有立方体、八面体、菱形十 二面体等。不同形态的分子筛在吸附、催化等方面具有不同 的性能特点。
稀有气体提取装置
稀有气体提取装置通常包括空气压缩、冷却、净化和分离等步骤。其中，分子筛纯化系统在净化步骤 中起到关键作用，用于去除空气中的水分、二氧化碳和其他杂质，以确保后续稀有气体提取的纯度和 收率。
空分分子筛运行分析及保护措施
空分分子筛运行分析及保护措施摘要：环氧化合物是一种重要的有机中间体，广泛应用于石油化工、化工防腐、电器、有机合成、航天航空等领域。
分子筛吸附器是空分装置中纯化系统最关键的设备，经透平压缩机压缩后的空气进入空气冷却塔，被冷却至15℃左右后进入分子筛吸附器内，空气中所含有的水、乙炔、二氧化碳等杂质相继被吸附清除，从而保证后续系统的正常运行。
本文主要对空分分子筛运行分析及保护措施作论述，详情如下。
关键词：空分分子筛；运行分析；保护措施引言用于空气分离的装置有多种，它们所使用的技术方法也不尽相同。
在实际生产中，要根据生产的目的选择相应的空分装置。
分子筛吸附器按照结构形式有立式和卧式两种之分，内部均填充分子筛和氧化铝用于吸附再生。
其中卧式分子筛吸附器占地面积大，气量分布不均匀，时间久了床层容易发生下沉，易受到冲击造成床层损坏。
1空分装置的构成深冷法空分装置包括预冷和纯化、压缩机组、精馏、制冷和换热和其他相关单元。
（1）该部分主要是用于空气的压缩、增压空气压缩，拥有自洁式空气过滤器、空压机、汽轮机、仪表压缩机、增压机等。
为装置提供带压的原料气使用的是原料空气压缩机，为装置提供膨胀以及液氧气化的气源使用的是增压空气压缩机。
（2）预冷和纯化系统：该部分的主要设备为冷却水泵、空冷塔、分子筛纯化器、水冷塔等。
其主要是把压缩空气进行初步的冷却，并在此过程中将空气中的二氧化碳、水分等杂质去除。
（3）制冷换热系统：该部分是利用膨胀机制冷。
在膨胀机中，气体等熵膨胀制取冷量，可用于精馏从而将不同的气体分离开来。
（4）精馏系统：因为不同的气体具有不同的沸点，经过在精馏塔的上部、下部多次的热交换环节，即一部分气体发生蒸发，一部分气体发生冷凝，从而完成精馏过程，最终实现氮与氧的分离。
2空分分子筛运行分析及保护措施2.1在保证后工段需要的情况下，按需控制空分装置负荷在保证后工段需要的情况下，按需控制空分装置负荷,分子筛底部疏水器定期检查，保证疏水畅通;上游预冷系统保证洗涤降温正常，控制预冷塔液位正常，保证气体不带水。
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几种常见分子筛型号、化学组成及孔径大小
型号 3A 4A
单胞典型化学组成 K64Na32[(AlO2)96(SiO2)96]216H2O Na96[(AlO2)96(SiO2)96 ]216H2O
5A
Ca34Na28[(AlO2)96(SiO2)96]216H2O
吸附原理
3 物理吸附与化学吸附
按照吸附剂表面与吸附质分子间作用力的不同, 吸 附可分为物理吸附及化学吸附两种。对于物理吸 附, 吸附剂和吸附质之间通过分子间力(也称“范 得华”力) 相互吸引发生吸附现象。在化学吸附中, 被吸附的分子与吸附剂表面的原子发生化学作用, 在吸附剂和吸附质之间会发生电子转移、原子重 排或化学键的破坏与生成等现象。
192个硅铝原子。
孔性质
均匀的微孔
孔径 与一般物质的分子大小的数量级相当
吸附位或者活性位绝大多数是在其微孔孔道内
孔体积 表面积
1) 3A分子筛； 2) 4A分子筛； 3) 5A分子筛； 4) 10X分子筛； 5) 13X分子筛；
6) 硅胶； 7) 活性炭
孔体积
分子筛具有空旷的骨架结构，晶穴体积约为 总体积的40-50%。
n(Si)/n(Al) n(SiO2)/n(Al2O3) 孔径大小/nm
121ຫໍສະໝຸດ 2～0.3 ～0.4
1
2
～0.5
1.23
2.5
0.8～0.9
1.23
2.5
0.9～1.0
2.45
4.9
0.9～1.0
5.00
10
0.58～0.70
31.00
＞30
0.52～0.58
分子筛
是指钠X型晶体结构的钠型，能吸 附临界直径10A的分子，化学式为
根据分子筛的晶体结构可以计算晶胞体积和 晶穴体积，也可利用某种吸附质在饱和蒸气压 (P=P0)或接近饱和蒸气压时的饱和吸附量计算。
孔体积与分子筛的吸附性能有很大关系，它 直接决定着分子筛的饱和吸附量。
活性氧化铝
活性氧化铝是一种具有多孔性高分散度 的固体物料，有很大的比表面积，既有 良好的吸附性能，又有良好的耐压、耐 磨损和耐热性能，具有抗压强度高、磨 耗率低、不粉化、不爆裂等特点。其抗 冷、热的突变性也很强。在空气饱和含 水量高时有较好的吸水性，而且与分子 筛等高度的床层下，阻力也更低。 分子式：AL2O3 活性氧化铝主要作用去除 空气中的水分，并且强度 大，不易破碎 。
分子筛
类型:分子筛是人工合成泡沸石，硅铝酸盐的晶体， 呈白色粉末，加入粘结剂后可挤压成条状、片状 和球状。 在空分上常用分子筛13X-APG， 1.球状有4X8目，(φ4mm) 2.球状有8x12目, (φ2.38mm) 3.条状有1/16, (φ1.6mm,L=3-6mm) 现有些厂家有新开发的分子筛,吸附能力提高(10%), 可降低能耗或延长工作时间
主要产品技术指标见表一
5A分子筛在此不作详细介绍
分子筛
13X分子筛主要产品技术指标见表一
指标项目 单位
产品规格型号及标准
直径(D) 粒度≥ 堆积密度≥ 磨耗率≤ 抗压强度≥ 吸附CO2量≤ 静态水吸附≥ 包装含水量
mm %
g/ml %wt
N mg/g mg/g ≤%wt
球状(8×12目 4×8目)
分子筛
13X型的分子筛化学通式 Na86[(AlO2)86·(SiO2)106] .mH2O 能吸附临界直径<10艾的分子。
1艾=10(-10)米 特点:分子筛无毒、无味、无腐蚀性，
不溶于水及有机溶剂， 但能溶于强酸和强碱。
分子筛结构
X型分子筛
X分子筛属于八面体分子
筛，其晶体结构完全相同，两 者的区别在于（SiO2/Al2O3） 不同。虽然单位晶胞中含有
分子筛吸附原理及应用
吸附原理
1 吸附原理 吸附作用又称吸着作用, 是两相交界面上物质分
子浓度自动发生变化的自然现象。研究表明, 吸 附现象不仅发生在固—气交界面上, 在液—气界 面、固—液界面上同样也会发生。
吸附体系由吸附剂和吸附质组成, 我们将具有一 定吸附能力的材料称为吸附剂, 将被吸附的物质 称为吸附质。在空分制氧设备的吸附器中, 常用 吸附剂有硅胶、活性氧化铝、惰性氧化铝和分子 筛。
1.6-2.5
3-5
5-8
98
98
98
67.00%
0.66 0.64
0.1
0.1 0.1
40
80
100
180
180 180
265
265 265
1
1
1
条状(1/16“ 1.6 92 0.62 0.2 30 180 265 1
1/8") 3.2 92 0.61 0.2 70 180 265
1
分子筛
分子筛经加热失去结晶水，晶体内形成 许多孔穴，其孔径大小与被吸附气体分子直 径相近，且非常均匀。它能把小于孔径的分 子吸进孔隙内，把大于孔径的分子挡在孔隙 外。因此，它可以根据分子的大小，把各种 组分分离，“分子筛”亦由此得名。
13X
Na96[(AlO2)86(SiO2)106〕]264H2O
10X
Ca38Na10[(AlO2)86(SiO2)106]264H2O
Y
Na56[(AlO2)56(SiO2)136 ]264H2O
M
Na8[(AlO2)8(SiO2)40 ]24H2O
ZSM-5 Na3[(AlO2)3(SiO2)93]46H2O
吸附原理
2吸附作用的特点
吸附剂与吸附质一旦接触便会自发的产生吸 附现象, 这是吸附作用的一个重要特点。
按照热力学定律, 在自然界中凡是能降低自 身能量的作用都是可以自发进行的。例如水从高 处流向低处, 热从高温端传到低温端, 都是自动 进行的, 因为其结果都使自身原先所具有的能量 得到降低。吸附剂表面吸附其它介质的分子, 这 个过程的结果是降低了吸附剂自身原先所拥有的 “表面自由能”, 所以吸附作用能自发进行。在 压缩空气干燥器中, 水蒸气被吸附的过程是不需 外界提供任何能量的自发过程。
Na2O＊Al2O3＊（2.8±0.2）SiO2＊（6-7）H2O
13X-APG1/16条形分子筛 13X球形分子筛
主要用途 空分装置原料的净化； 凡可吸附于3A、4A、5A型分
子筛上的分子，都能吸附13X型； 可吸附临界直径较大的分子，
如某些芳烃和支链烃； 深度吸附H2O和CO2，
以及部分碳氢化合物。