（化工过程机械专业论文）超临界高压萃取设备快开密封结构的研制.pdf

摘要 摘要 超临界流体举取技术足利j i 】处于临界压力和i i i ；界温度以卜的流体具有极强 的溶解能力i 面发展起来的新型化工分离技术。1 萃取和分离一体化、过程简单、 易于控制、萃取效率高，因此j 1 。泛地应h j 于纯天然产品、热敏性物质以及中单约 的提取。 超临界流体萃取技术的工业化应用关键在于设备。超临界商压萃取设备开关 频繁、操作压力高，缺乏设计经验和有效的设计方法，密封元什无法反复使j j ， 工业化发展受到了制约。本文通过研究超l i ； i 界流体商压萃取设器快丌密封结构形 式，改进了，密封结构和密封材料，提f j 了一种超临界讶压革取釜快丌密封结构一 一无楔入作用的i 。箍快开密封结构。该结构主要t h 顶盖、筒体端部、c 形密封环 和譬箍组成。 参照日本工业协会标准j i sb8 2 8 4 1 9 9 3 和巾国行业标准h g2 0 5 8 2 1 9 9 8 ，给 出了该卡箍快开密封结构的理论设计方法和公式，并用该设计方法设计了一台 5 l 高压萃取釜。 运用有限元( a n s y s ) 软件对5 l 萃取釜卡箍快开密封结构进行强度和接触 行为的分析，分析可知结构安全可靠，密封性能良好。 对5 l 萃取釜进行水压试验，观察其密封性能和快开的效果，发现设备快开 方便，密封性能良好，c 形密封环可以重复使用，试验最高压力可达5 2 m p a 。 通过上述研究，证明该卡箍快开密封结构使用性能良好，设备满足设计要求， 具有良好的工业化应用前景。 关键词：超临界流体萃取釜快开a n s y s a b s t r a c t a b s t r a c t s u p e r c r i t i c a l f l u i de x t r a c t i o ni sa n e w l yd e v e l o p e d c h e m i c a l s e p a r a t i o n t e c h n o l o g yu s i n g t h e s p e c i a lh i 曲r e s o l v i n gc a p a c i t yo v e rc r i t i c a lp r e s s u r ea n d c r i t i c a l t e m p e r a t u r e i tc o m b i n e sb o t he x t r a c t i o na n ds e p a r a t i o n h i g l le f f i c i e n c yi so b t a i n e d b ys i m p l ep r o c e s s ，w h i c hi se a s i l yu n d e rc o n t r 0 1 s oi th a sb e e nw i l d l yu s e di nt h e e x t r a c t i o no fp u r er a w p r o d u c t s ，t e m p e r a t u r e - s e u s i t i v e m a t e r i a l sa n dc h i n e s e t r a d i t i o n a lm e d i c i n e t h ek e yp o i n to fi n d u s t r i a lu s ef o rs u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o ni s e q u i p m e n t s u p e r c r i t i c a lh i g h - p r e s s u r ee q u i p m e n t i s f r e q u e n t l y s w i t c h e da n dt h e o p e r a t i n g p r e s s u r ei sh i 曲d e s i g ne x p e r i e n c ea n de f f e c t i v em e t h o di s i n s u f f i c i e n ta n ds e a l c o m p o n e n t 咖tb e u s e dr e p e t i t i v e l y , w h i c hr e s t r i c ti n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t b y s t u d y i n gq u i c k - o p e n i n gs t r u c t u r e s f o rs u p e r e r i t i c a lf l u i dh i g h - p r e s s u r ee x t r a c t i o n e q u i p m e n t ，s e a ls t r u c t u r ea n d m a t e r i a la r e c h a n g e d a n das t r u c t u r ei sp u tf 0 州旧“l 一 n o n - w e d g i n gq u i c k - o p e n i n gc l a m p i n g b a n ds e a ls t r u c t u r e , w h i c hi sc o m p o s e do f t o p c a p , c y l i n d e re n d , c s e a lg a s k e ta n d c l a m p i n g b a n d s b a s e d0 1 1j a p a n e s ei n d u s m a la s s o c i a t i o ns t a n d a r d i sb8 2 8 4 - 1 9 9 3a n dc h i n e s e p r o f e s s i o n a ls t a n d a r dh g 2 0 5 8 2 - 1 9 9 8 。t h et h e o r yd e s i g nm e t h o da n df o r m u l a so f t h i s s t r u c t u r ea r ep u tf o r w a r d b yt h i sm e t h o d a5 lh i g h - p r e s s u r ee x t r a c t i o nk e t t l ei s d e s i g n e d t h es t r t 尬t u r ei n t e n s i t ya n dc o n t a c tb e h a v i o ro f q u i c k - o p e u i n g c l a m p i n g b a n ds e a l s t r u c t u r ef o rt h e5 le x t r a c t i o nk e t t l ei sa n a l y z e d b yf i n i t e - e l e m e m ( a n s y s ) s o f t w a r e i ti sv e r i f i e dt h a tt h es t r u c t u r ei ss a f ea n dt h es e a l p e r f o r m a n c e i sg o o d b yo b s e r v i n g t h eb e h a v i o ro f s e a lp e r f o r m a n c ea n dt h ee f f e c to f q u c k - o p e u i n gb y h y d r o s t a t i ce x p e r i m e n t t ot h e5 le x t r a c t i o nk e t t l e ，i ti sd i s c o v e r e dt h a tq u i c k - o p e n i n g i sc o n v e n i e n t , s e a lp e r f o r m a n c ei sg o o d , cs e a lg a s k e t 咖1b eu s e dr e p e t i t i v e l yu n d e r 5 2 m p a b yt h o s es t u d i e s ，i t i s s h o w i n gt h a t t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sq u i c k - o p e n i n g c l a m p i n gb a n d s e a ls t r u c t u r ei sg o o d , t h ee q u i p m e n ts a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t a b s t r a c t d e s i g nr e q u i r e m e n t a n dh a sg o o di n d u s t r i a lu t i l i t yp r o s p e c t k e y w o r d s ：s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，e x t r a c t i o nk e t t l e ，q u i c k o p e n i n g ，a n s y s 南京工业大学硕士学位论文 第一章绪论 超临界流体苯取技术( s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n ，简称s c f e ) 是近年来 圈际上迅速发展起来的一种利用处于临界压力和临界温度以i ：的流体具有特异 增强的溶解能力而发展出来的先进船、采取物理方式的、绿色环傈的新型化工分 离技术1 1 - 5 1 。在有些文献中，又称之为压力流体萃取、超临界气体萃取、临界溶 剂萃取等( 6 j 。超临界流体萃取技术具有传质速率快、穿透能力强、萃取效率高、 操作温度低、产品纯度好、过程能耗低和无毒、无三废、无易燃易爆危险等诸多 传统分离技术不可比拟的优势，使得常规使用的液一液萃取过程面临挑战。日前 超临界流体技术已不再限于分离方面，它已经深入到分析化学、材料制造、化学 反应等各方面，超临界流体技术正展现出广阔的应用前景1 7 - 1 0 i 。 1 1 超临界流体萃墩技术概况 1 1 1 超临界流体萃墩技术基础 超临界流体萃取的萃取剂为超临界流体。把气体压缩到临界温度t e r 与临界 压力p c r 以上，呈现超临界状态，此时气体称为超临界流体。超临界流体是介于 气液之问的一种既非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度和压力超过临 界点时才能存在弘引。 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，它兼有气体、 液体的双重特性，即密度接近液体，粘度又与气体榭似，扩散系数为液体的l o l o o 倍m i ，因而只有很强的溶解能力和良好的流动及传递性能。足一种- t 一分理 想的萃取剂。 流体的这种溶解能力对体系压力和温度的变化十分敏感。在临界点附近，温 度和压力的微小变化往往会导致溶质的溶解度发生几个数量级的变化。利用超临 界流体的这个性质进行分离操作效果奇佳，过程无相交，能耗较低l h j 。 气体、液体和超临界流体物理特征的比较见表1 i t 峙】。 袭1 - l 气体、液体和超临界流体物性比较 物质状态 密度( g ，c o )粘度( g t r o i s )扩散系数f c m 2 s ) 气态 ( o 6 ，2 ) l o j( 1 3 ) i 矿 o i 0 4 液态 0 6 l6 ( o2 3 ) 1 0 。2 - 2 ) x1 矿 超临界流体0 2 o9 ( 1 - 9 ) x 1 0 4( 2 - 7 ) 1 0 第一章绪论 在超临界状态卜，将超临界流体与待分离的物质接触，有选择性地把沸点和 分子量不同的成分依次萃取出来。正是由于这些特性，超临界流体萃取技术成为 超临界流体诸多技术提出以来应用最早的领域之一。 超临界流体作为萃取溶剂的必要条件足： ( 1 ) 化学性质稳定，不与提取物发生化学反应，对设备无腐蚀。 ( 2 ) 临界温度接近常温，操作温度应低于提取物分解变质温度。 ( 3 ) 临界压力低，节省动力。 ( 4 ) 纯度高，溶解度好，以减少溶剂循环量。 ( 5 ) 对提取物成分的选择性高，容易得到高纯度产晶。 ( 6 ) 来源方便，价格低廉。 ( 7 ) 用于食品和医药工业时应考虑选择无毒的流体。 超临界流体c | l 应用较多的包括：c 0 2 、水、甲醇、乙醇、氤、氨、乙烯、丙 烯、丙烷、戊烷等。其中c 0 2 的临界温度( t c r = 3 1 3 ) 接近室温，临界压力 ( p c r = 7 3 7 m p a ) 较易达到，化学性质稳定，无毒、无臭、尤色、尢腐蚀性，因 此是最常用的超临界流体。 常用超临界流体的临界特性见表1 2 。 表l 一2 常用超临界流体的临界特性 临界密度 流体名称分子式 临界压力( m p a )临界温度( ) ( g e m a ) 二氧化碳c c h7 2 93 l20 4 3 3 水 h 2 0 2 1 7 63 7 4 203 3 2 氨 n h 3 l l2 51 3 2 40 2 3 5 乙烷岛h 648 i3 220 2 0 3 乙烯c 2 比4 9 79 2o 2 1 8 氧i t , - - - ：氮 n s o 71 73 6 50 4 5 0 丙烷 c 3 h s 4 1 99 6 60 2 1 7 戊烷 c j h l 2 3 7 51 9 6 6o ，2 3 2 丁烷 c 4 h i o 37 51 3 5 o0 2 2 8 1 1 。2 超临界流体萃取技术研究状况 早在1 0 0 年之前，j b h a n n a y 就发现无机盐在高压乙醇或乙醚中溶解度异常 增加的现象1 5 l 。1 8 7 9 年h a n n y 和h o g a r t h 首次发表了超临界流体能够溶解低 2 南京工业大擘硕士学位论文 蒸汽骶的周体物质”一文 1 7 f 。自此以后，随着新的超临界流体不断微发现，对超 临界流体的研究也越来越受到关注。 1 9 4 3 年，现最早的超临界流体从 i n l i 中脱沥青。 1 9 5 8 年，西德的m a xp l a n c k 研究所； i j j i 3 超临界c o ：从羊毛i l 提取羊毛脂。 1 9 7 2 年德国发表用超临界流体萃取法生产酒花浸膏的专利。 1 9 7 8 和1 9 8 2 年，联邦德国先后建成了拥有4 台4 0 m 3 萃取槽，提取咖啡因和 年处理5 0 0 0 吨物料萃取啤酒花的超临界技术生产厂家，成为r 世界上第一套大 规模超临界c 0 2 流体萃取i l j 化装置【1 9 j 。 1 9 8 0 年开始，西德的s k w 和日本的富士香料、美国的一些公司竞相研究并 建厂投产掀起，r 超临界流体萃取技术的第一次浪潮l 捌。 1 9 9 0 年开始，国际上的研究开发领域已经从上述的天然产物提取转到了其他 的领域，i ：开始注熏超临界流体萃取的基础理论研究和固体物料连续萃取等工业 化问题的研究。 在超临界流体萃取的理论研究上，自从1 9 7 8 年在西德e s s e n 举行第一届“超 临界流体萃取”国际会议以来，有关超l j f j 界流体萃取的理论和应用的会议接= 连 三地召开。国际上投入大量的人力、物力和财力对该技术进行细致的研究，指导 学科进展的综述性文章也屡见诸文献f 2 1 1 。 目前，国际上有关超临界流体前沿技术多集中在美国、德国和日本。在此领 域投入研究力量最多的也是这三个国家。 我国超临界流体技术的研究工作始于1 9 8 0 年。起步较晚，和世界发达国家相 比存在一定的差距。日前土要集中在实验室研究阶段，在基础研究及应用开发、 设备装置的设计制造与产业化等方面还有许多工作要傲【2 2 | 。 我国的超临界流体研究开发工作，可火致分为下面几个阶段： 1 9 8 0 年开始，少数研究单位和大学利用进u 的实验装置进行超临界流体技术 的工艺探索。例如，1 9 8 5 年北京化工学院从瑞士进口了第一台超临界流体萃取 装簧，进行了不少研究工作： 1 9 8 7 年开始，一些工程设计力量较强的研究单位开始进行超临界流体萃取装 置的研究与工业化开发。清华大学、浙江大学、华东理工大学、中科院的山西煤 化所、大连化物所、广州化学所等单位相继引进国外设备，进行了比较全面的研 第一章绪论 究开发。除了在实际应用上做探索外还对超临界流体的流体力学特性和传质性 能进行了理论分析，并已取得r 一定成绩： 1 9 9 0 年开始，研究工作向较深层次发腱，如夹带剂、萃取精馏的研究等，毅 置的工业化开发初见成效。研究已从早期偏重丰h 平衡研究、数学模型的建立、理 论公式的探讨等方面向实用化、工业化拓展。应用领域也从石油、化工等i _ 、l k 领 域扩展到食品、医药、化妆品等行业。 国家在“八五”期间就将“超临界流体萃取技术的产业化”列入了重点攻关 项目，并已取得初步成果，到目前为止，已有多项技术实现了一定规模的工n p 化 生产，羁前全国已建成1 0 余套工业规模萃取装置，中小型设备达百余套。 佃足，日前毅锺的设计还没有完全解决工柙巾的流体力学、工稃热力学_ ：i = i i 放 大效应等问题，造成运行不稳定，甚至开不起车。有些装饕规模不小，但工业化 程度不高，例如没有合适方便的快开密封结构、c 0 2 加压泵性能达刁i 到要求或操 作控制4 i 方便等等。 1 9 9 4 年全国召开j ，第一届超临界流体学术讨论会，会议对推动该技术进一步 发展具有重要趋 义。从近年发表的部分论文看，在超l 临界条件下的萃取、精馏、 沉析、色谱羽i 反应等郝有研究，涉及了化工、轻工、石油、环保、医药及食品等 行业，不仅有基础研究，而且有工艺和工程开发。 1 2 超临界c 0 z 流体 c 0 2 气体对液体和固体的溶解能力非常低，然而，随着压力及密度的增加， 其溶解能力显著提高，尤其对于有机化合物的溶解，其表现更为明显。c 0 2 与多 数有机溶剂具有良好的互溶性，而与水的互溶性却很小。在2 0 时，水在液体 二氧化碳中的溶解度为0 1 。 纯c 0 2 压力与温度和密度的关系如图1 - 1 所示： 南京工业大学硕士学位论文 叟 i 坷 脚 - ， 刮 丁c 3 1 u 鹰v 图j l 纯c 0 2 压力与澡度和密度关系 f i b1 1r e l a t i o n s h i po f p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dd e n s i t yf o rp u r ec 0 2 图l l | c 0 2 分为同相区、液棚区幂气棚区。超临界c 0 2 流体枷区在图的右上方， 气、液、固三相共存线交汇于三相点，即c p 点为三相临界点，c p 点对应的温度 和压力即为c 0 2 的临界温度和临界压力。进入超l 临界区后，汽化线消失，液态 和气态无明确界限，临界点处气相和液相差别消失，超过临界点，气体不荐因压 缩而液化。温度和压力高于临界温度和临界压力的状态叫超临界状态，此时， c 0 2 成为既非液态又非气态的单一柏，性质介于液相与气相之问。密度和溶解能 力类似液体，迁移性和传质性类似于可压缩气体，我们称之为超临界c 0 2 流体。 溶质在超临界c 0 2 中的溶解度，随压力和温度的变化而有明显改变，特别 是在临界点附近，温度和压力的微小变化导致流体密度的极大变化，从而极大的 改变溶质的溶解度。因此，用改变物理参数的方法就可以方便地改变溶剂的溶解 能力而达到选择性分离的目的。 超临界c 0 2 流体的密度为气态时的数百倍，接近于液体，流动性和粘度接近 气态，扩散系数大约为气态的百分之一，较液态大数百倍，溶质在超l 临界c 0 2 流体f _ f _ l 的分配迁移比在液体溶剂巾快。适当改变温度戏压力，可使溶解度枉 1 0 0 - 1 0 0 0 倍的范嘲内变化，这与液体溶剂的攀取显然不同。因此，超临界c 0 2 流体萃取可在短时间内完成。 一般来讲，超临界c 0 2 流体的密度越大，其溶解度就越大，即恒温下，超临 第一章绪论 界c 0 2 流体c i 物质的溶解度隧k 力1 t i 龉i f f i 增火，如刚1 - 2 1 ”i 。 f f _ 仡某一压力范闱 内，其溶解度随；矗度的升岛1 7 】_ f 降，如图1 3 i 2 ”。这一特性有利于从物质巾幕取 某些易溶解的成分，而超临界c 0 2 流体的高流动性和商扩散性则订助于使所溶 解的符成分彼此分离，并能加速溶解s r 衡，捉高萃取效率。 i ，m f 一 图1 2c 0 2 密度与压力的关系 f i g 1 2r e l a t i o n s h i po f d e n s i t ya n dp r e s s u r ef o rc 0 2 2 毒1 譬 l t 、 、 _ - - 对比蠢l 巨1 - 3c 锡气体扩散系数的温度指数 f 谵l - 3t e m p e r a t u r ei n d e xo f d i f f u s i o nc o e f f i c l c n ! f o rc 0 2g a s 可以看 ，超临界c 0 2 流体的溶解性能。l ：要取决于萆取的温皮和压力，另 外还存在其他重要的影响因素，例如萃取时间、溶剂类型、流速、原料性质、纽 分的极性以及相应的分离条件等等。 1 3 超临界c o z 流体萃取工艺 超临界c 0 2 流体萃取一般过程如图1 4 。萃取釜内放入萃取物料，c 0 2 经过 高眶泵加压到工艺所需要的压力并且调节温度，使其成为超临界流体，然后从底 部迸入萃取釜，与物料充分接触，选择性的溶解出需要的化学物质，然后经减压 刁 一 一，广 f一 i o o o n 南京工业大学硕士擘位论文 阀减压至临界瓜力之下进入分离爷，压力降低，c 0 2 的溶解能力人人降低，析f “ 被分离物质，c 0 2 进入尾气储罐通过压缩机压缩循环使用。 图i 4 超临界流体萃取一般过程 f i g 1 - 4c o m m o np r o c e s so f s c f e 超临界c 0 2 流体萃取一般有三种基本操作方法即等温法、等压法和吸附 法o ”1 如图1 5 所示。 ( a 等温法夏= 五热p ，i - 萃取釜；2 - 减压阂；3 - 分离釜；4 - 压缩机 ( b ) 等压法7 ： tp = p ，i - 萃取釜；2 - 加热器：3 分离釜；4 - 高压泵：5 一冷却器 ( c ) 吸附法正= p 。= 段i 一摹取釜；2 - 吸附剂；3 一分离釜：4 - 高压泵 图1 5 超i 临界c 0 2 流体萃取的三种基本操作方法 f i g1 5t h r e e b a s i cm e t l l o d so f o p e r a t i o nf o rs u p e r c r i t i c a lc 0 2f l u i de x t r a c t i o n l 、等温法 也称绝热法或者变压萃取分离，是应用最方便的一种方法。萃取了溶质的 c 0 2 从萃取釜抽出，经膨胀阀后，由于压力下降，溶解度降低而析出萃取溶质。 经分离后。萃取溶质从分离釜下部取出。c 0 2 由压缩机送回萃取槽循环使用。 7 第一章绪论 2 、等i i 法 也称变温萃取分离法。该流程巾采用加热升温的方法使c o z 乖i 萃取溶质分 离，萃取溶质从分离釜下方取 t t 。气体经玲却压缩返回举取蕞循环使j _ i j 。由j 二操 作压力，1 ；j 叫，有时需加热筚取，而在降温冷却下进行萃取剂的分离i l j ，j ：。 3 、i 毁附法 分离釜中使| ；j 吸附剂的方法。在分离釜中放置只吸附萃取质的吸附荆，不吸 收的c o ：经压缩后，循环进入分离釜中充填吸附剂，c 0 2 返回萃取器中。 前两种方式多用于提取产品，第三种方式则适用于提取残留物使产品提纯。 实际生产中，可根据不同要求进行不同的组合，有时为了改善萃取分离效率还可 以采用_ 萃取与精馏相结合的方法。 1 4 超临界c 0 2 流体萃耿系统 超临界_ 翠取系统从功能上人体可分为八部分：萃取剂供应系统、低温系统、 窟压系统、萃取系统、分离系统、改性剂供应系统、循环系统和计算机控制系统， 包括c 0 2 加压泵、萃取釜、分离釜、压缩机、c 0 2 储罐以及冷水机等设备。 1 4 ，1 超临界c 0 2 流体萃取设备 超临界c 0 2 流体萃取设备一般包括萃取釜和分离釜及过滤设备等高压容器， 该类设备的设计压力一般在3 0 m p a 以上，均为三类压力容器。 超临界c q 萃取多为半间歇操作( 被萃取物料一次性装入萃取釜，而超临界 c 0 2 流体连续通入) 。物料需要批量进料。分离釜也须经常打开清理，过滤设备 中的过滤材料也须定期更换。因此，此类高噩容器需采用侠开结构形式a 国外典型萃取设备伙开密封结构和国内结构不尽相同。 1 4 1 1国外采用的密封结构形式 图 - 6 所示的是国外采用的超临界萃取设备的密封结构川 其c h 图1 - 6 中c a ) 为l ：1 本三菱化工机械株式会社研制的超临界c 0 2 举取 设备中商压容器的密封结构形式，采用特制自紧式密封环和卡箍。该结构尺寸紧 凑、操作方便、密封性能好，密封压力可达7 5 m p a ，已成功地应用于大型生产 设备中。 图1 - 6 巾( b ) 为瑞士n o v a 公司生产的超临界c 0 2 试验萃取釜( 容积为2 0 0 m 1 ) 南京工业大学硕士学位论文 的密到结构。采川线接触型衔封方式，接触比压豳，密封可靠，辑彳封雎力可达 7 0 m p a ，但这种密封结构对金属材料的性能要求非常高。 图1 6 巾( c ) 为瑞：tn o v a 公司生产的超临界c 0 2 萃取试验设备中分离釜 的密封结构。该结构采用橡胶o 形圈及，r 垫圈作为密封元件，矩形密封沟褙开 搜在端塞的圆柱面e ，属于挤压型密封在初始压麻力和内外压菱的作用下，o 形圈发! k 变形，凶丽具有一紧作刚，密封压力也商达7 0 m p a 。 图1 61 1 1 ( d ) 为日本a k i c 0 公司生产的某小型超临界c 0 2 萃取试验设备中 萃取釜的密封结构该结构采用聚四氟乙烯o 形圈作为密封元件，矩形密封沟 槽开设在筒体端面上，平端盖上截面为矩形的环状凸起紧压在矩形沟槽内的密封 7 i 件上，使密封元件存较大的预紧力作用下发卜变形胀满存矩形粥封沟槽小， 从而形成可靠的密封。 娟羞 窿封环组件 卡箍 筒体 ( a ) 自紧式密封环和卡l 剜臭开结掏 瓣塞 压紧蝇塞 筒俸 持盘 箧；函婺 9 第一章绪论 1 4 1 2闲内采厂盯的密封结构形式l 1 、螺纹式高压自紧快开设备的密封结构 卜土荷头：2 - 捎阎；3 压盏；4 - 予柄 5 简体端部法兰；6 0 形密封环 图1 7 螺纹式高压自紧快开设备 纳密封结构 f i gl 7 s e a ls t r u c t u r e o f s c r e w h i i g h p r e s s u r i z e dq m c k o p e n i n ge q w p m e n t 如图1 7 所示，该结构的承力机构由 馏体端部法兰、堵头和压盖组成。在简体 法兰内面和雎盖外面分别有螺纹，只要将 压盖拧入筒体法兰中，使螺纹啮合，其密 封结构就可起到承力作用。 密封部位由堵头和橡胶0 形密封环 组成。o 形密封环是一种具有径向和轴 向1 0 紧效果的弹性密封元件。将0 形环 装入堵头上的密封槽中，每次开盖它都 随堵头取出。o 形环截面与密封面间在 径向有一定的过盈量，堵头插入简体端 部法兰后。密封面沿四周均匀挤压o 形环，使其在径向和轴向发生明显变形， 从而达到预紧密封的要求。 安装密封盖时，将压盏螺纹与筒体法兰螺纹对准。均衡地用力拧动压盖 二的 手柄，密封盖就可以装入简体内。由于重力作j l j ，堵头通过挡圈支承在压盏j 二， 并随压盏作螺旋运动，这时压盖底面与堵头的上承力面分开。当。形环与筒体 密封面接触时，在轴向摩擦阻力作用下，堵头相对压盖向上浮动，压盖底面与堵 头的上承力面接触，挡圈底面与压盖分开。出于压盖与堵头接触面的摩擦阻力较 小，而0 形环与简体密封面问的周向摩擦阻力较大，因此，堵头仪仅做轴向运 动而不随雎最转动。o 形环在与简体密封丽脱离接触之前，堵头不会转动。 这种密封结构的优点足：橡胶o 形密封环寿命跃，这是山于该密封环在进入 密刘位簧的过程中不随压盖作螺旋运动，大大减少了其与郗封面的摩擦与磨损； 压盖和堵头可以采用不同材料，使整个密封蕴所用不锈钢材料量减少约5 0 t 降 低了材料成本和加工难度；装拆方便。由于0 形环与密封面间的磨擦距离较小， 敲转动密封盖的力矩大大降低，使装拆强度明显减小。 结构的缺点是：橡胶o 形密封环存在严重的溶涨现象，造成拆卸困难：螺纹 结构不能很好地起到快开的效果：在高压情况下，螺纹结构容易发生咬死现象。 j 0 南京工业大学硕士学位论文 2 、滑块式商压n 紧快开设备的密封结构 堵， 1 0 形密封环；2 滑块；3 筒体端部法兰： 4 扩缩机构；5 堵头 图l 一8 滑块式高压自紧快开设备 的密封结构 f i g 1 8s e a ls | n l c | u r eo f s l i d i n g b l o c kh i g t i p r e s s u r i z e dq u i c k - o p e n i n ge q u i p m e n t 如图1 8 所示，该结构的承力机构简 体法兰、堵头和滑块组成。在简体法兰内面 开有一条楔槽，将滑块推入其内就可使共起 到抗剪承力作用。为了滑块方便地进出楔 槽，楔槽和滑块的上接触丽设计成锥丽，以 达到自锁的目的。锥面夹角小于摩擦角， 一般取5 。7 。工作时，滑块张开里间 断圆环状态，非工作时间，滑块收缩成类 等边多边形外接圆直径略小于简体法兰 内径。滑块收缩时能随堵头一起进出简体， 婚回曹篓蓊篓 的密封结构 与平盖和简体法兰凸肩接触的一卜箍内 f i gi 9 s e a ls t r u c t u r e o f c l a m p i n g b a n d h i g h 一 。 第一章绪论 轴阳移动后，靠k 筛的分入量来预紧的。 这利，密封结构的优点是：卡箍内面为s 卜面，工作时卡箍不会向外扩张，故无 需用横向螺栓拉住仅在其j 二面设琏两块简单的快拆连接板防止人为事故；0 箍 合拢时，| 大j 不产生预紧力，故l 拆装更省力，更简便快捷，并可采刚人工作业： 无需考虑轴向压下量的大小，因此其制造更为方便。 结构的缺点是：橡胶0 形密封环存在严重的溶涨现象，造成拆卸困难；大型 卡箍要用大型锻件，且加工量比较大。 1 4 2 超临界c 0 2 流体萃取加压设备、阀门和管道 1 4 2 1 加压设备 目前超临界c 0 2 流体加雎设备分为k 缩机和高压泵两种【2 6 i 。 压缩机优点在于所用萃取溶剂勿需冷却成液体便可实现加压循环。过程简 单。缺点在于送同样流量的萃取剂所需压缩机体积较大由于等焓雎缩过程会产 生很大的温升，必须配置中间冷却系统，压缩机噪声大，工作环境恶劣。 高压泵优点是输送量大，噪声小，热效应小，总能耗低和输送过程稳定、可 靠。缺点是c 0 2 在进入泵体前必须冷却成液体需加冷却系统泵必须具有对 溶剂的峦封及高压等高要求，而且c 0 2 具有一定的压缩性，当在高压差下_ l = ：作 时，影响往复泵的输送量，冲击往复泵，产生振动。 超临界c 0 2 萃取设备工作环境对其经济性、设备可靠性和能耗等因素有较高 的要求，综合分析后认为，选用高压泵是比较合适的。 1 4 2 2 高压阀f 、j 和管道 在实际工作中有些萃取物形成粘度很大的油捆。有些萃取物中含有不溶性 固体物质，管道、阀门和热交换器内会发生沉积。c 0 2 本身也有相变，若操作小 够注意，它也可能形成液相或成为于冰。我国以前小型装置的高压阀门和高压管 路接头的安全可靠性相对较差，阀门和管件曾发生过事故。所以在设计管道、阀 门时必须充分考虑消除其中的堵塞闯题1 2 ，l 。 1 4 3 超临界c 0 2 流体萃取设备的开发现状 国外超临界c 0 2 流体萃取驶备有如下特点： ( 1 ) 萃取设备已呈系列化，有l o o m l 、2 5 0 m l 、3 0 0 r a l 、5 0 0 r a l 等试验设 南京工业大学硕士学位论丈 备，4 l 、i o l 、2 0 l 、5 0 l 等小型设备，i o o l 、2 0 0 l 、3 0 0 l 、5 0 0 l 等 f i 型设备， 1 2 m 3 、6 5 m 3 、l o r e 3 等人型设备。 ( 2 ) 设备技术多功能化。超i i 佰界萃取设备与快速分析装箭相结合，设备r 都标：丁j ：要参数，用，o 可按自己n 勺需要进行选择。 ( 3 ) 设备的开发工作开始向通用、普及、廉价方向发展。 我周的萃取设备研究大部分还停留在试验窀阶段，与陶外还有不小的差距。 1 5 超临界流体萃取技术的特点和展望i 瑚3 i 与传统溶剂萃取分离工艺比较，超临界流体萃取技术具有如下优点： ( 1 ) 低温萃取和分离不破坏生物活性物质，特别是热敏性物质。 ( 2 ) 在密闭的高压系统巾进行，一切细菌鄢被杀灭，产一锅直接从分离器带 压排m 到包装容器，很容易通过g m p 认证。 ( 3 ) 原料c 的重金属、允机物、尘土等都4 i 会被c 0 2 溶解带出。 ( 4 ) 没有有机溶剂残留，不需要复杂的脱除过程。 ( 5 ) 产品排出时带出的c 0 2 自动逸散或者在产品进入包装容器后保留一些 c 0 2 ，加盖密封作为保鲜剂可延长保存期。 ( 6 ) 萃取和分离一体化，工艺非常简单。 ( 7 ) 革取效率高，过程易于采用计算机监控，可实现车间无人化生产。 ( 8 ) 具有广泛的适应性，可用来萃取多科产品，特别有利于从天然植物、 动物体中提取纯天然产品以及中草药的提取等，适应当前的绿色产品，回归自然。 ( 9 ) 热水、冷水全都是闭路循环，无废水、废渣排放，c 0 2 也足闭路循环， 仅在排料时带出少许，不会对环境造成污染。 ( 1 0 ) 用人较少、物料消耗较小，运行费用非常低。 超临界流体c 0 2 萃取技术还存在如下缺点： ( 1 ) 高压系统的设备价格较高，初期投资较大。 ( 2 ) 设备大多为非标设备，制造周期较长。 ( 3 ) 更换产品时，清洗容器和管道比较团难。 ( 4 ) 目前国内不能制造太大的高压系统容器，所以生产规模受限，不能实 现规模效益。 ( 5 ) 萃取釜无法连续操作，造成装黄的时空产率比较低。 第一章绪论 ( 6 ) 过程消耗桁标不容忽视。 超临界流体萆取技术足一门综合性技术，足现代科学技术的结晶。它涉及化 学、化工、机械、热力学、自动控制等方面的技术，已经广泛得应，“0 二食t 钴、医 药保健- 扒t 1 草药有效成分提取、化工以及生物工程等方面。圊际上只有少数科 技、经济发达的困家才拥有该生产手段。但足可以预见的是，随着人类文明的进 步，超临界流体萃取这种洁净、安全、能源低、效率高的加t 技术，将是未来分 离技术应用的主流。 超j j f i 界流体萃取技术在工n p 中的虑用见表1 3p 4 1 。 表1 3 超稿界流体萃取技术在- r 业中的应用 t a b1 - 3i n d u s t r i a lu s eo f s c f e 行业应用举例 酶、维生素等的精制：动植物体内药物成分的 萃取( 如生物碱、生育酚、挥发性芳香植物油) ； 医药： 业医药品原料的浓缩、精制以及脱溶剂、脂肪类 混合物的分离静i 上( 如磷脂、脂肪酸、甘油脂 等) ：酵母、苗体生成物的萃取。 植物油脂的萃取( 大豆，棕榈、可可豆、咖啡 豆) ；动物油脂( 鱼油、肝油) ：食品 食品1 【业 的脱脂、荣脱咖啡因；洒花的萃取；植物色素 的萃取；酒精饮料的软化脱色、脱臭。 天然香料的苯取；合成香料的分离、精制：烟 化妆品香辩工业 叶的脱尼古j ：化妆鼎原料的萃取、精秘。 烃类的分离：有机合成原料的分离( 羟酸、脂 等) ：有机溶剂水溶剂的脱水( 酵、酮) ；共沸 化学工q k 混合物的分离：作为反应的稀释荆( 如自策反 应链烷烃的异构物) ；高分子物质的分离。 1 6 本文主要研究内容 笔者对现行超临界流体萃取设备进行广泛的调查研究，结果表l j j j 超临界流 体萃取技术工业化存在如下的问题： ( i ) 超临界流体萃取技术工业化的关键问题在于萃取设备。 ( 2 ) 萃取设备要经常开关，国内尚无该种设备的设计、生产标准。 ( 3 ) 苯取设备多数属于高压容器，操作压力高，设计要求高。 ( 4 ) 超临界流体具有强溶性和高渗透性，现行萃取设备密封元件溶涨现象 严重，密封结构设计不尽合理，拆卸较困难，难以大型化。 ( 5 ) 萃取设备设计多数凭经验，缺乏对设备安全、可靠性评定的有效方法。 4 南京工业走学硕士学位论文 i i 此抛本文的二e 要彤f 宄内容： ( 1 ) 分析现行萃取设备结构的优缺点，设计种超临界商雎萃取设备的快 开密封结构。 ( 2 ) 探讨该礤封结构的理论设计公式和设计方法，j i 】该设计方法设计一台 5 l 萃取釜。 ( 3 ) 运用有限元( a n s y s ) 软件对5 l 萃取釜卡箍快开密封结构进行强度 计算和接触行为的分析，验证结构是否安全，密封性能是否良好。 ( 4 ) 对5 l 萃取釜进行水压试验，观察其密封性能和快开的效果，验证结构 是否安全，密封性能和快开效果是否良好。 5 第二章超临界高压萃取设备快开密封结构的设计 第一：章超临界i 茼压幕取设备快开密封结构的设计 2 1 概况 萃取设备是超临界c 0 2 流体萃取系统【i 一的关键设备，具有如卜的特点【3 5 “： ( 1 ) 某些不宦进行粉碎预处理的固体物料，例如某些必须保持纤维结构不发 生变化的天然产 ，需要打开萃取故备的顶盖加料和出料，因此超临界流体萃取 多为半间歇操作( 被萃取物料一次性装入，超临界c 0 2 流体连续通入) ，萃取釜 中的物料需要频繁更换，萃取设备必须具有快速开关的特点。 ( 2 ) c 0 2 的临界压力是7 3 m p a ，但是为了将物质萃取出来，一般需要较高的 操作压力，因此超临界流体蒂取设备的设计压力一般在3 0 m p a 以上。设备的操作 压力商，萃取设备的设计及生产难度较人。 ( 3 ) 陶内对超临界流体萃取设备的研究和开发尚处于初级阶段，缺乏经验和 订效的设计方法，暂无超临界流体萃取设备的- 馊计标准，因此超临界流体萃取设 备大多为非标设备，设计和制造存在很大的不确定性。 ( 4 ) 萃取设备在高压下进行操作，需要经常开关，设备在一个生产周期内压 力是随时问上下波动的，因此萃取设备存在疲劳问题。 ( 5 ) 超临界流体具有强溶解性和高渗透性，对设备的密封材料的破坏很严重。 因此萃取设备的密封材料和结构必须适应超临界流体这一特性。 2 2 结构改进 对国内的萃取设备进行了大量的调企研究，发现现行的萃取设备存在结构复 杂、快开操作烦琐、密封结构不佳、密封材料选择不当等缺点。据此本文提小萃 取设备密封结构的改进意见： l 、快开密封结构的改进 攀取设备的快开密封结构以密封力的方向一般分为径向式、轴向式和复合式 结构。 径向式是指其密封力沿容器直径方向，这种密封的预紧力靠加工的配合间隙 来保证。虽然加工要求较高，但一旦加工好后，装拆时不受人为因素的影响- 所 以很方便。 轴向式的密封力与容器轴线平行，有些结构的密封力靠加工保证，如卡箍式 南京工业欠学硕士学位论文 结构，行些则舷人为预紧力保“操作刁i 便。 复合式结构足径向式和轴向式结构的组合，其结构复杂，在超临界流体举取 设备巾很少使用。 由于超临界流体萃取设备必须经常地打开和关闭，因此密封结构通常选用径 向自紧式。 考虑到萃取设备密封结构应同时满足操作安全、可靠且开关迅速，分析第一 章提 【i 的三种基本结构，其中卡箍式快丌密封结构形式简单、制造和安装方便， 适合作大型设备，易于设备的推广和放火，闲此本文提h 了一种径向式卡箍快开 高压自紧密封结构。该密封结构是传统卡箍式快开自紧密封结构的改进，考虑到 快- 丌结构丌关的方便，将南封嘲部化设计和顶盖内，这样裴卸顶盖的时候就不需 要拆卸密封嘲，从而减少了密封圈的装卸次数，f l 对密封圈不造成磨损，并能很 好的保证密封结构的安全、商效、方便和快捷。 2 、密封材料的改进 超临界流体萃取釜在常温下操作，价廉物美的橡胶材料似乎是最佳选择。但 是超临界流体物性特点决定了其具有强溶解性和高渗透性。普通的橡胶无法达到 工艺过程的要求，一个橡胶密封圈只能使用一次，橡胶密封圈的强烈溶涨迩会影 响到釜盖的装卸。国外报道称瑞士n o v a 公司小型装置的密封圈材料可以使用 多次，但是到目前为止国内还不能解决橡胶密封圈材料使用多次的问题【”】。 采用金属密封材料也不合理。由于快开结构的釜体需要经常打开，而密封材 料在现有的状况下很难实现重复使用，因此需要经常更换密封件。釜体为金属材 料，如果使用金属密封材料的话，釜体和密封件则会产生磨损现象，密封间隙加 大，失去密封的能力。 国内菜进口超临界萃取试验装置中的j “口压力容器采用了聚四氟乙嫌。形 圈作为密封元件1 4 甜。隳四氟乙烯( p t f e ) 有许多优异的性能1 4 6 - , 1 7 i ，例如几乎不 受所有化学品腐蚀，