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超临界流体反应装置

  • 型   号:
  • 更新时间:2020-09-03
  • 访问次数:1920
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超临界流体反应装置$n超临界流体(supercritical fluid) 温度、压力高于其临界状态的流体。通常把处于温度超过临界温度而不论其压力和密度是否超过临界值状态的流体都归之为超临界流体。[1] $n超临界流体具有许多独特的性质,如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感:粘度和扩散系数接近气体,而密度和溶剂化能力接近液体。

超临界流体反应装置

超临界流体(supercritical fluid) 温度、压力高于其临界状态的流体。通常把处于温度超过临界温度而不论其压力和密度是否超过临界值状态的流体都归之为超临界流体。[1] 

超临界流体具有许多独特的性质,如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感:粘度和扩散系数接近气体,而密度和溶剂化能力接近液体。

 

纯净物质要根据温度和压力的不同,呈现出液体、气体、固体等状态变化。在温度高于某一数值时,任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相,此时的温度即被称之为临界温度Tc;而在临界温度下,气体能被液化的低压力称为临界压力Pc。在临界点附近,会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。当物质所处的温度高于临界温度,压力大于临界压力时,该物质处于超临界状态温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体(supercritical fluid,简称SCF)。例如:当水的温度和压强升高到临界点(t=374.3 ℃,p=22.05 MPa)以上时,就处于一种既不同于气态,也不同于液态和固态的新的流体态──超临界态,该状态的水即称之为超临界水

 

超临界流体由于液体与气体分界消失,是即使提高压力也不液化的非凝聚性气体。超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质。它基本上仍是一种气态,但又不同于一般气体,是一种稠密的气态。其密度比一般气体要大两个数量级,与液体相近。它的粘度比液体小,但扩散速度比液体快(约两个数量级),所以有较好的流动性和传递性能。它的介电常数随压力而急剧变化(如介电常数增大有利于溶解一些极性大的物质)。 另外,根据压力和温度的不同,这种物性会发生变化。

优点

超临界流体是处于临界温度和临界压力以上,介于气体和液体之间的流体,兼有气体液体的双重性质和优点:

溶解性强

密度接近液体,且比气体大数百倍,由于物质的溶解度与溶剂的密度成正比,因此超临界流体具有与液体溶剂相近的溶解能力。

扩散性能好

因黏度接近于气体,较液体小2个数量级。扩散系数介于气体和液体之间,为液体的10-100倍。具有气体易于扩散和运动的特性,传质速率远远高于液体。

易于控制

在临界点附近,压力和温度的微小变化,都可以引起流体密度很大的变化,从而使溶解度发生较大的改变。(对萃取和反萃取至关重要)

原理

 

物质在超临界流体中的溶解度,受压力和温度的影响很大.可以利用升温,降压手段(或两者兼用)将超临界流体中所溶解的物质分离析出,达到分离提纯的目的(它兼有精馏和萃取两种作用).例如在高压条件下,使超临界流体与物料接触,物料中的高效成分(即溶质)溶于超临界流体中(即萃取).分离后降低溶有溶质的超临界流体的压力,使溶质析出。如果有效成分(溶质)不止一种,则采取逐级降压,可使多种溶质分步析出。在分离过程中没有相变,能耗低。

应用

如超临界流体萃取(supercritical fluid extraction,简称SFE)、超临界水氧化技术、超临界流体干燥、超临界流体染色、超临界流体制备超细微粒、超临界流体色谱(supercritical fluid chromat

2009年纯化超临界流体色谱技术的需求

ography)和超临界流体中的化学反应等,但以超临界流体萃取应用广泛。很多物质都有超临界流体区,但由于CO2的临界温度比较低(31.06℃),临界压力也不高(7.38MPa),且无毒,无臭,无公害,所以在实际操作中常使用CO2超临界流体。如用超临界CO2从KAFEI豆中除去kafei因,从烟草中脱除尼古丁,从大豆或玉米胚芽中分离甘油酯,对花生油、棕榈油、大豆油脱臭等。又例如从红花中提取红花甙及红花醌甙(它们是治疗高血压和肝病的有效成分),从月见草中提取月见草油(它们对心血管病有良好的疗效)等。使用超临界技术的*缺点是涉及高压系统,大规模使用时其工艺过程和技术的要求高,设备费用也大。但由于它优点甚多,仍受到重视。超临界流体密度很大,具有溶解性能。在恒温变压或恒压变温时,体积变化很大,改变了溶解性能,故可用于提取某些物质,这种技术称为超临界流体萃取。

在超临界水中,易溶有氧气,可使氧化反应加快,可将不易分解的有机废物快速氧化分解,是一种绿色的“焚化炉”。

由于超临界流有密度大且粘稠度小的特点,可将天然气转化为超临界态后在

《超临界流体与绿色化工》

管道中运送,这样既可以节省动力,又可以增加运输速率。

超临界二氧化碳具有低粘稠度、高扩散性、易溶解多种物质、且无毒无害,可用于清洗各种精密仪器,亦可代替干洗所用的氯氟碳化合物,以及处理被污染的土壤。

超临界二氧化碳可轻易穿过细菌的细胞壁,在其内部引起剧烈的氧化反应,杀死细菌。

利用超临界流体进行萃取.将萃取原料装入萃取釜。采用二氧化碳做为超临界溶剂。二氧化碳气体经热交换器冷凝成液体,用加压泵把压力提升到工艺过程所需的压力(应高于二氧化碳的临界压力),同时调节温度,使其成为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进入,与被萃取物料充分接触,选择性溶解出所需的化学成分。含溶解萃取物的高压二氧化碳流体经节流阀降压到低于二氧化碳临界压力以下进入分离釜(又称解析釜),由于二氧化碳溶解度急剧下降而析出溶质,自动分离成溶质和二氧化碳气体二部分,前者为过程产品,定期从分离釜底部放出,后者为循环二氧化碳气体,经过热交换器冷凝成二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程是利用二氧化碳流体在超临界状态下对有机物有特异增加的溶解度,而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性,将二氧化碳流体不断在萃取釜和分离釜间循环,从而有效地将需要分离提取的组分从原料中分离出来。

超临界水具有非常强的极性,可以溶解极性极低的芳烃化合物及各种气体(氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等),能够促进扩散控制的反应速率,具有重要的工程意义。

通入有机废物进行氧化反应,即超临界水氧化法(supercritical water oxidation,SCWO)。其结果是有机废物被完全氧化成二氧化碳、氮气、水及可以从水中分离的无机盐等无毒的小分子化合物,达到净水的目的。

常见临界点

常见的是超临界二氧化碳,其临界温度为31.06℃,临界压力为7.38Mpa

超临界水的临界点为374℃,22Mpa

超临界甲醇为239℃,8.1MPa

超临界流体反应装置

超临界流体萃取、反应、清洗与干燥系统

主要特征z 釜体结构:快开快关、螺纹紧固、易清洗、易装填z 系统流量控制:背压调节器z 温度数字显示与控制:- 萃取釜(内温与壁温)- 分离釜(内温与壁温)- 萃取釜与分离釜之间计量调节阀- 分离釜后背压调节器z 压力数字显示与控制:- 萃取釜- 分离釜z 萃取与分离压力:常压~10,000 psi(68.9Mpa)可调可控z 操作温度:250 ℃。特殊设计的加热系统,保持被加热单元可以被空气有效冷却,协助提高温度精度到+/- 0.1℃z 主要组件已经百年验证,安全可靠z 隔膜式压缩机无需任何辅助设备能够压缩气体与液体 CO2,CO2的供应压力可低至 10Bar,利用率高z 数显累积流量仪,测量、数显并记录 CO2的即时与累积流量z 特殊设计的 CO2流向转换装置,实现高的萃取率z 萃取釜搅拌系统(可选),可有效提高萃取率或进行超临界反应z 标准的一萃一分配置可升级为二萃二分等z 冷阱配置(可选),实现 100%收集率输出记录仪(可选)z 标准配置:采用内置微机本地界面控制z PLC/HMI 人机对话触摸屏操作界面(可选)z 监控与数据采集系统(SCADA)(可选)z CO2 回收系统(可选)

 

系统概况z 二氧化碳超临界萃取的基本原理:将超临界流体与萃取物(液体或固体)充分接触,使被萃取物充分溶解在超临界流体中,然后改变温度或压力(即改变超临界流体的密度),使被萃取物析出。

超临界流体兼有液体和气体的双重特性:粘度接近气体,扩散系数为一般液体的 10 倍,因此传质速率快;密度接近液体,因此有很强的溶解能力,并可通过调节压力、温度或加入其它助剂改变溶解度。z NP 系列超临界二氧化碳萃取工艺系统主要的设计为典型的一萃一分配置,同时系统也可设计成两个萃取釜与两个分离釜的配置,即二萃二分配置。标准配置采用内置微机本地界面控制。该设备所取得的试验参数齐全,备直接放大到工业设备的价值。z 该系统在使用二氧化碳作为超临界流体时均可达到 10,000 PSI(68.9Mpa)操作压力与 250℃的操作温度。系统包括一个或两个萃取釜、一个或两个分离釜、电动二氧化碳增压泵(金属隔膜压缩机)、利用压缩热实现预热、冷阱、数显累积流量仪、以及所有完整的管路、阀门、仪表等。实验室设备系统支架带有万向轮,可方便移动。萃取釜与分离釜中的压力通过 KämmerTM 控制阀和换热器控制。z 超临界流体萃取系统组成:萃取釜与分离釜各自独立的温度和压力控制系统、流量阀精密控制系统、无油无污染隔膜式压缩机、夹带剂泵、萃取釜、分离釜、改变二氧化碳流体方向的阀组、防爆单元、气体流量计、数显式累积流量仪、冷阱(可选件)、完整的管路阀门系统等z 系统采用无污染隔膜式压缩机作为升压装置,无污染隔膜式压缩机具有非常强大的压缩升压能力,不仅可以压缩液态二氧化碳,还可以直接压缩气态二氧化碳z 与普通的二氧化碳高压泵(特别是气动泵)相比,无污染隔膜式压缩机的特点是独立工作的能力,它不需要再配备任何额外的辅助设备,比如空气压缩机(或空气钢瓶)和外循环制冷机。因此操作非常简单,设备的操作参数不受辅助设备的影响,具有良好的稳定性

 

系统操作系统工作原理与流程:气态或液态 CO2从贮藏罐(或钢瓶)→ 过滤器→ 无油无污染隔膜式压缩机(升压)→ 背压阀(流量压力与调节)→ 萃取釜(萃取样品)→ 精密计量阀(流量调节)→ 分离釜(萃取产物与 CO2分离)→ 背压阀(流量压力与调节)→ 冷阱(可选项)→ 气体流量计→ 数显式累积流量仪→CO2排空(CO2 回收系统可选) 

 

系统配置 :标准配置- 温度、压力、流量显示控制器:LED 数字显示

- 报警装置:亮灯提示、声音提示、PID 联动自动锁定

- 安全保护装置:高压/低压报警、长久稳定的蝶型爆破片于 11500psi 下爆破、联动互锁停机

- 温度控制系统:独立控制釜内流体的真实温度、背压阀的温度、分离釜的温度。温度范围:常温-250℃。特殊设计的加热系统,保持被加热单元可以被空气有效冷却,协助提高温度精度到+/- 0.1℃。加热体结构为快开快关式

- 压力控制系统:操作压力 10,000 psi(68.9MPa),压力精度:+/-10~20 psi。指针式压力表显示电动隔膜式二氧化碳增压泵的入口压力。系统压力数字显示

- 流量控制系统:萃取釜前液体 CO2流速由电动隔膜式二氧化碳增压泵控制液体;萃取釜与分离釜之间的流量由精密计量阀控制;分离釜后的 CO2流速由压力调节器控制

- 数显累积流量仪:数字显示瞬时流量和累积流量

- 萃取釜:1000ml(用户选择),1 个,大操作压力10,000PSI,操作温度 250℃

- 二氧化碳流向转换设计:独特的设计可实现实验过程中轻易改变 CO2流体通过萃取釜的方向,即上湍流与下湍流两种动态萃取模式- 

分离釜:300ml,1 个,操作压力 10,000PSI,操作温度 250℃,底部带有手动出料阀- 冷阱:承受温度为 -200℃,可直接加入液氮或干冰作为制冷介质

萃取釜体积: 萃取釜配备5微米金属烧结过滤器与二氧化碳流向转换装置- 50, 100, 500 mL, 1, 2, 5, 10, 20, 50 L

分离釜体积: 分离釜配备5微米金属烧结过滤器,可配备多个分离釜,串联安装或平行安- 50, 100, 300, 500 mL, 1, 2, 5, 10, 20, 50 L

选项配置

- 夹带剂加入单元: 在线、连续、定量加入夹带剂

- 平行操作的多个萃取釜: 50mL~ 50L (带5微米金属烧结过滤器)

- 固体框栏: 金属烧结,带盖

- 冷阱: 用于100%收集小分子量易挥发的萃取物

- 输出记录仪

- PLC/HMI人机对话触摸屏操作界面

- 监控与数据采集系统(SCADA)

- CO2回收系统全自动数据获取系统 (DAQ)OM?Daq?USB?2401用来获取所有操作数据到计算机界面上

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