超临界流体的应用.doc

1 1 大庆师范学院 超临界流体的应用 年 级 09 工四 学 号 200901030938 姓 名 王心 专 业 化学工程与工艺 指导老师 刘海燕 二零一二年三月十八日 2 2 摘 要 本论文从超临界流体定义 性质开始介绍 最后谈谈它更多的应用 超临 界流体萃取是国际上最先进的物理萃取技术 在较低温度下 不断增加气体的 压力时 气体会转化成液体 当温度增高时 液体的体积增大 对于某一特定 的物质而言总存在一个临界温度和临界压力 高于临界温度和临界压力后 物 质不会成为液体或气体 这一点就是临界点 再临界点以上的范围内 物质状 态处于气体和液体之间 这个范围之内的流体成为超临界流体 超临界流体具 有类似气体的较强穿透力和类似于液体的较大密度和溶解度 具有良好的溶剂 特性 可作为溶剂进行萃取 关键词关键词 超临界流体的定义 性质 优点 应用 3 3 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪 论 3 1 1 本论文的背景和意义 3 1 2 本论文的主要方法和研究进展 3 1 3 本论文的主要内容 4 第 2 章 超临界流体的介绍 5 2 1 超临界流体的概念 5 2 2 超临界流体的优点 5 2 3 超临界流体的性质 5 第 3 章 超临界流体的应用 6 3 1 超临界流体应用原理 6 3 2 超临界流体的应用 6 结 论 8 参考文献 9 4 4 第一章绪论第一章绪论 1 11 1 本论文的背景和意义本论文的背景和意义 超临界流体与气体和液体相比 可以说兼具后两者的优点而又克服了它们的不 足 而且超临界流体萃取操纵条件温顺 所以超临界流体萃取技术相比其它分 离方法上风非常明显 目前 超临界流体萃取技术在各领域应用过程中还有很 多题目有待解决 相信通过国内外专家的共同努力 该技术在各领域的应用必 将深进 而且会不断拓宽 其在产业生产上的作用也将随之日益凸显 1 21 2 本论文的主要方法和研究进展本论文的主要方法和研究进展 超临界流体具有溶解其他物质的特殊能力 1822 年法国医生首次发表物质 的临界现象 并在 1879 即被 Hogarth 学者研究发现无机盐类能迅速在超临 界乙醇中溶解 超临界萃取可以萃取油料中的油脂 此后 利用超临界流体进行分离的方法 沉寂了 70 年代的后期 德国的 Stahl 等人首先在高压实验装置的研究取得 了突破性进展之后 超临界二氧化碳萃取 这一新的提取 分离技术的研 究及应用 才有实质性进展 1973 及 1978 年第一次和第二次能源危机后 超 临界二氧化碳的特殊溶解能力 才又重新受到工业界的重视 1978 年后 欧 洲陆续建立以超临界二氧化碳作为萃取剂的萃取提纯技术 以处理食品工厂 中数以千万吨计的产品 例如以超临界二氧化碳去除咖啡豆中的咖啡因 以 及从苦取出可放在啤酒内的啤酒香气成分 超临界流体萃取技术 近 30 多年 来引起人们的极大兴趣 这项化工新技术在化学反应和分离提纯领域开展了 广泛深入的研究 取得了很大进 展 在医药 化工 食品及环保领域成果累累 5 5 1 31 3 本论文的主要内本论文的主要内容容 超临界二氧化碳萃取分离过程的原理是利用超临界二氧化碳对某些特殊天然 产物具有特殊溶解作用 利用超临界二氧化碳的溶解能力与其密度的关系 即利用压力和温度对超临界二氧化碳溶解能力的影响而进行的 在 超临界 状态下 将超临界二氧化碳与待分离的物质接触 使其有选择性地把极性 大小 沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来 当然 对应各 压力所 得到的萃取物不可能是单一的 但可以控制条件得到最佳比例的混合成分 然后借助减压 升温的方法使 超临界流体 变成普通气体 被萃取物质则完 全或基本析出 从而达到分离提纯的目的 所以超临界流体二氧化碳萃取过 程是由萃取和分离组合而成的 1 6 6 第 2 章 超临界流体的介绍 2 12 1 超超临临界界流流体体的的 概概念念 温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体 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 如果提高温度和压力 来观察状态的变化 那么会发现 如果达到特定 的温度 压力 会出现液体与气体界面消失的现象该点被称为临界点界点 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 温度压力略高于临界点的状态 称为超临界流体 2 22 2 超超临临界界流流体体的的优优点点 流体 兼有气体液体的双重性质和优点 1 溶解性超临界流体的处于临界温度和临界压力以上 介于气体和液体 之间的强 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 2 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 3 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 2 32 3 超超临临界界流流体体的的性性质质 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能化的非凝 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 它的介电常数随着力而急剧变 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 7 7 第 3 章 超临界流体的应用 3 3 1 1 超超临临界界流流体体的的应应用用原原理理 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 3 2 超超临临界界流流体体的的应应用用 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 chromatography 和超临界 流体中的化学反应等 但以超临界流体萃取应用得最为广泛 很多物质都有 超临界流体区 但由于 CO2 的临界温度比较低 临界压力也不高 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 从咖啡豆中除去 咖啡因 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 例如从草中提取月见草油 它 们对心血管病有良好的疗效 等 使用超临界技术的唯一缺点是涉及高压系 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 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 可将天然气化为超临界态后 在管道中运送 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 塔底氧化碳为超临界溶 剂 二氧化碳气体经热交换器冷凝成液体 用加压泵先压力提升到工艺过 8 8 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 取塔底部进入 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底 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 定期从分离塔底 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 增加解度 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 塔分离塔循环 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 目前 研究最多在超临界水中进行的一类反应是以空气为氧化剂 通入 有机废物进行氧化反应 即超临界水氧化法 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 9 9 结 论 在本学期的化工热力学课上 我简单认识了超临界流体 而在之后选择的 这个题目上 我了解到了更多有关超临界流体的知识 最开始 我仅仅知道超临界流体因为它溶解度受压力和温度的影响很大这 一特点 被广泛用于萃取 在这段自学中 我收获颇丰 超临界流体的应用 还有超临界水氧化技术 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 和超临界流体中的化学反应等 这其中我最为 感兴趣的还是超临界水 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 超临界流体具有气体和液体的双重特性 SF 的密度和液体相近 粘度与气体相 近 但扩散系数约比液体大 100 倍 由于溶解过程包含分子间的相互作用和扩 散作用 因而 SF 对许多物质有很强的溶解能力 超临界流体对物质进行溶解和 分离的过程就叫超临界流体萃取 l 可作为 SF 的物质很多 如二氧化碳 亚氮 乙烷 庚烷