超临界萃取装置实验讲义.doc

北方民族大学化工学院化工技术与实验中心超临界萃取实验讲义超临界萃取装置实验讲义 （指导教师：姜国平） 北方民族大学化工学院化学工程实验室一、超临界理论概述每个纯物质都有自己确定的三相点。根据相律，当纯物质的气液固三相共存时，确定系统状态的自由度为零。将纯物质沿气液饱和曲线改变温度和压力，当达到图中C点时体系的性质变得均一，不再分为液体和气体，故C点称为临界点。与该点相对应的温度和压力分别称为临界温度（Tc）和临界压力(Pc),途中高于临界温度和临界压力的有阴影线的区域属于超临界流体状态。超临界流体状态的性质有别于通常所称的气体和液体状态，因此此状态称为流体状态。 图11 纯流体的压力温度图二、超临界流体的临界点 稳定的纯物质都有固定的临界点，对于某物质临界点应指明的数据除了临界温度和临界压力外还应指明与萃取相关的数据即临界密度c。理论上来说很多流体都可作为超临界流体使用，但实际上由于需要考虑应用的可能性，因此常用的超临界流体并不太多。表11列出了一些超临界流体萃取中常用的萃取溶剂及其临界值。 化合物沸点/临界点数据临界温度Tc/临界压力Pc/MPa临界密度c/(g/cm3)二氧化碳-78.531.067.390.448氨-33.4132.311.281.24甲烷-164.0-83.04.60.16乙烷-88.032.44.890.203丙烷-44.5974.260.220n-丁烷-0.5152.03.800.228其它物料的临界点省略。从表11可以看出，超临界流体在密度上接近于液体，因此，对固体、液体的溶解度也与液体相接近，密度越大，相应的溶解能力也越强。同时超临界流体在粘度上接近于气体，扩散系数比液体大100倍，因此渗透性极佳，能够更快地完成传质过程而达到平衡，从而实现高效分离过程。三、超临界流体的特性： 1、由于超临界流体的溶解能力随着其密度的增加而提高，因此，通过改变超临界流体的密度，就可以实现待分离组分的萃取与分离。 2、在接近临界点处只要温度和压力有微小的变化，超临界流体密度和溶解度都会有较大变化。3、萃取过程完成后，超临界流体由于状态的改变，很容易从分离成分中较彻底地脱除，不给产品造成污染。4、超临界流体萃取技术所选用萃取剂，其临界温度温和、并且化学稳定性好，无腐蚀性，因此特别适用于热敏性或易氧化的成分的提取。5、溶剂循环密封使用，避免了产品的外界污染，环境友好。6、超临界流体萃取需在相应的高压设备中完成，对设备要求高。 四、超临界流体的选择所选的超临界流体必需满足如下条件：一是具有良好的溶解性能；二是具有良好的选择性。 具体要求：1、作为超临界流体萃取剂，应该化学稳定性好，无毒、无腐蚀，不易燃、不易爆。2、超临界流体的操作温度尽量接近常温，从而节约能源，操作温度低于待分离成分的分解温度。3、超临界流体的操作压力尽可能低，以降低动力消耗。4、对于待分离组分要有较高的选择性和较高的溶解度。5、来源广泛、价格便宜。6、尽量选用环境友好溶剂。五、超临界CO2的基本性质 CO2的临界温度（Tc=31.06），结合表13我们可知此临界温度是常用超临界溶剂中最接近室温的，其临界压力（Pc=7.39MPa）也比较适中。特别应该指出的是，CO2的临界密度（c=7.39g/cm3）是常用超临界溶剂中最高的（合成氟化物除外）。由于超临界流体的溶解能力一般随流体密度的增加而增加，可见CO2具有最适合作为超临界溶剂的临界点数据。和传统的加工方法相比，使用CO2作为溶剂的超临界萃取具有如下显著优点：1、萃取能力强，提取率高。 2、萃取能力的大小取决于流体的密度，最终取决于温度和压力，改变其中之一或同时改变，都可改变溶解度，可有选择地进行多种物质的分离，从而减少杂质，使有效成分高度富集，便于质量控制。3、超临界CO2流体的临界温度低，操作温度低，能较好地保存有效成分不被破坏，不发生次生化，因此特别适用于那些对热敏感性强，容易氧化分解破坏的成分的提取。4、提取时间快，生产周期短，同时它不需浓缩等步骤，即使加入夹带剂，也可以通过分离功能除去或只需要简单浓缩。5、超临界CO2流体还具有抗氧化、灭菌等作用，有利于保证和提高产品质量。6、超临界CO2流体萃取过程的操作参数容易控制，因此，有效成分及产品质量稳定，而且工艺流程简单，操作方便。节省劳动力和大量有机溶剂，减少“三废”污染。7、CO2便宜易得，与有机溶剂相比，运行费用较低。（一）实验目的1. 通过实验了解超临界萃取装置的基本原理和实验方法。2. 通过实验得出CO2流体溶解度的定性经验规律：3. 通过实验得出影响超临界CO2流体溶解性能的因素 （二）实验原理利用超临界CO2流体的特性，通过实验设备提供其所需的超临界条件，从而使CO2处于超临界状态，把它作为溶剂来将物料中的有效成分进行萃取，并从而达到分离的目的。其流程图如上图所示。本实验装置流程与上图有区别，但原理相同。（具体装置工艺流程后面有附图） （四）实验步骤 1. 准备工作（开机顺序）：1) 打开总电源开关，启动装置上的总电源（绿色按钮），当三相电源指示灯都亮时，说明电源已经接通。2) 打开制冷开关和冷循环开关，给冷箱降温当冷箱温度达到0时，压缩机自动停止工作（当冷箱温度高于5时，压缩机自动开始工作。3) 设定萃取釜、分离釜的温度，一般设定萃取釜温度为40，分离釜温度为35。这时须注意加热水箱的水位（一般保持在距离箱盖2cm左右），以免水位过低而烧坏加热管。4) 待制冷和加热达到工艺要求时，可以开始按照工艺要求进行萃取。2. 萃取实验1) 、开始萃取前，确认所有的阀门都关闭，CO2钢瓶的压力在4Mpa以上，若低于这一压力，需要用加热圈进行加热，待压力达到后进行试验，否则更换新气瓶。1) 、装料：我们这次实验所用物料是宁夏本地一种草籽（俗名苦豆子），利用本装置分离、其生物碱有效成分。固体物料装入萃取釜时需加入2-3层脱脂棉，脱脂棉与过滤片之间留5Cm左右的距离，如果是物料粒度大于50目的细物料，需要在过滤片和白垫圈之间加一层快速滤纸，以免堵塞滤片。液体物料一般加止萃取釜体2/3处即可，在液面上加一块钢丝网。我们实验用物料为固体，可以省略上述步骤，加200克。若在萃取过程中加料，需关闭高压泵，调节阀门14使分离釜和分离釜间的压力平衡，然后慢开阀门8使系统压力平衡，再关闭阀门4（或6，根据使用萃取釜、而定，下同）、5（或7）,慢开阀门3（或11）排空萃取釜压力，使萃取釜压力表指0，打开萃取釜，装料。2) 、打通气体流动管路：依次打开CO2钢瓶手轮阀门、高压泵进气阀、盘管出口阀，按照工艺流程打开相应的阀门，其中阀门4（或6）在打开时必须慢开，以防止物料冲起，待压力不变时再将阀门全开。3) 、加高压（调节萃取釜压力）：加高压前需将系统压力表中的电接点至高于工艺要求的压力，启动柱塞泵绿色按钮，按数位调频器调节高压泵频率，一般萃取釜（大釜）调为22-27赫兹，萃取釜（小釜）调为17-21赫兹，最高不超过26赫兹，按RUN键启动高压泵，然后开始调节系统压力，进行萃取。4) 、萃取：慢慢关闭阀门8，让压力升高至工艺要求的压力（选择15Mpa），再调节工艺流程中相应的阀门以调节压力，其中阀门14调节分离釜的压力，阀门10调节精馏柱压力，本实验不用精馏部分，所以阀门10可以不进行调节。5) 为了提高CO2萃取剂的溶解能力，有时需要加入夹带剂（如乙醇等），本实验暂不考虑。6) 萃取时间约一小时后，可以从分离釜下面的放料口接萃取物。7) 萃取釜的清洗：萃取釜的清洗剂根据清洗的对象可以选择乙醇或食用油，操作方法同萃取方法一样，其中压力设定为20-25Mpa，分离釜压力设定为8 Mpa，分离釜压力设定为5-6 Mpa。8) 记录萃取釜、分离釜温度，压力相关数据。3、关机：萃取结束，关闭高压泵，调节高压阀门14使分离釜和分离釜平衡，因为本实验不使用分离釜，所以这步省略。慢开阀门8使系统压力平衡，再关闭阀门4（或6，根据使用萃取釜、而定，下同）、5（或7），慢开阀门3（或11）排空萃取釜压力，使萃取釜压力表指0，取出萃取釜，调节温度使设定温度为0，依次关闭温度开关、冷循环开关、制冷开关、总电源、高压泵进气阀、钢瓶阀门。并检查所有阀门均已关闭。（六）思考题1. 超临界流体的特性是什么？为什么选择CO2作为萃取剂？2. 通过实验，讨论超临界萃取装置还可以应用到那些方面？实验注意事项说明：1、 在萃取过程中，由于设备高压运行，实验学生不得离开操作现场，不得随意乱动仪表盘后面的设备、管路、管件等，发现问题及时断电。然后协同指导老师解决。2、 为防止发生意外事故，在操作过程中，若发现超压、超温、异常声音等，必须立即关闭总电源，然后汇报老师协同处理。3、 通常分离釜体后面的阀门及回流阀门处于常开状态下，釜内压力应与储罐压