超臨界流體反應(yīng)系統(tǒng)

超臨界流體（supercritical fluid） 溫度、壓力高于其臨界狀態(tài)的流體。通常把處于溫度超過臨界溫度而不論其壓力和密度是否超過臨界值狀態(tài)的流體都?xì)w之為超臨界流體。

超臨界流體具有許多*的性質(zhì)，如粘度小、密度、擴(kuò)散系數(shù)、溶劑化能力等性質(zhì)隨溫度和壓力變化十分敏感：粘度和擴(kuò)散系數(shù)接近氣體，而密度和溶劑化能力接近液體。

純凈物質(zhì)要根據(jù)溫度和壓力的不同，呈現(xiàn)出液體、氣體、固體等狀態(tài)變化。在溫度高于某一數(shù)值時，任何大的壓力均不能使該純物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)化為液相，此時的溫度即被稱之為臨界溫度Tc；而在臨界溫度下，氣體能被液化的低壓力稱為臨界壓力Pc。在臨界點附近，會出現(xiàn)流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)等所有流體的物性發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象。當(dāng)物質(zhì)所處的溫度高于臨界溫度，壓力大于臨界壓力時，該物質(zhì)處于超臨界狀態(tài)溫度及壓力均處于臨界點以上的液體叫超臨界流體(supercritical fluid，簡稱SCF)。例如:當(dāng)水的溫度和壓強(qiáng)升高到臨界點(t=374.3 ℃，p=22.05 MPa)以上時，就處于一種既不同于氣態(tài)，也不同于液態(tài)和固態(tài)的新的流體態(tài)──超臨界態(tài)，該狀態(tài)的水即稱之為超臨界水。

超臨界流體由于液體與氣體分界消失，是即使提高壓力也不液化的非凝聚性氣體。超臨界流體的物性兼具液體性質(zhì)與氣體性質(zhì)。它基本上仍是一種氣態(tài)，但又不同于一般氣體，是一種稠密的氣態(tài)。其密度比一般氣體要大兩個數(shù)量級，與液體相近。它的粘度比液體小，但擴(kuò)散速度比液體快(約兩個數(shù)量級)，所以有較好的流動性和傳遞性能。它的介電常數(shù)隨壓力而急劇變化(如介電常數(shù)增大有利于溶解一些極性大的物質(zhì))。 另外，根據(jù)壓力和溫度的不同，這種物性會發(fā)生變化。

優(yōu)點

超臨界流體是處于臨界溫度和臨界壓力以上，介于氣體和液體之間的流體，兼有氣體液體的雙重性質(zhì)和優(yōu)點：

溶解性強(qiáng)

密度接近液體，且比氣體大數(shù)百倍，由于物質(zhì)的溶解度與溶劑的密度成正比，因此超臨界流體具有與液體溶劑相近的溶解能力。

擴(kuò)散性能好

因黏度接近于氣體，較液體小2個數(shù)量級。擴(kuò)散系數(shù)介于氣體和液體之間，為液體的10-100倍。具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動的特性，傳質(zhì)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體。

易于控制

在臨界點附近，壓力和溫度的微小變化，都可以引起流體密度很大的變化，從而使溶解度發(fā)生較大的改變。（對萃取和反萃取至關(guān)重要）

原理

物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度，受壓力和溫度的影響很大.可以利用升溫,降壓手段(或兩者兼用)將超臨界流體中所溶解的物質(zhì)分離析出，達(dá)到分離提純的目的(它兼有精餾和萃取兩種作用).例如在高壓條件下，使超臨界流體與物料接觸,物料中的高效成分(即溶質(zhì))溶于超臨界流體中(即萃取).分離后降低溶有溶質(zhì)的超臨界流體的壓力，使溶質(zhì)析出。如果有效成分(溶質(zhì))不止一種，則采取逐級降壓，可使多種溶質(zhì)分步析出。在分離過程中沒有相變，能耗低。

應(yīng)用

如超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction,簡稱SFE)、超臨界水氧化技術(shù)、超臨界流體干燥、超臨界流體染色、超臨界流體制備超細(xì)微粒、超臨界流體色譜(supercritical fluid chromatography)和超臨界流體中的化學(xué)反應(yīng)等,但以超臨界流體萃取應(yīng)用廣泛。很多物質(zhì)都有超臨界流體區(qū)，但由于CO2的臨界溫度比較低(31.06℃),臨界壓力也不高(7.38MPa),且無毒,無臭,無公害，所以在實際操作中常使用CO2超臨界流體。如用超臨界CO2從KAFEI豆中除去kafei因，從煙草中脫除尼古丁，從大豆或玉米胚芽中分離甘油酯,對花生油、棕櫚油、大豆油脫臭等。又例如從紅花中提取紅花甙及紅花醌甙(它們是治療高血壓和肝病的有效成分),從月見草中提取其草油(它們對心血管病有良好的療效)等。使用超臨界技術(shù)的*缺點是涉及高壓系統(tǒng),大規(guī)模使用時其工藝過程和技術(shù)的要求高,設(shè)備費(fèi)用也大。但由于它優(yōu)點甚多,仍受到重視。超臨界流體密度很大，具有溶解性能。在恒溫變壓或恒壓變溫時，體積變化很大，改變了溶解性能，故可用于提取某些物質(zhì)，這種技術(shù)稱為超臨界流體萃取。

在超臨界水中，易溶有氧氣，可使氧化反應(yīng)加快，可將不易分解的有機(jī)廢物快速氧化分解，是一種綠色的“焚化爐"。

由于超臨界流有密度大且粘稠度小的特點，可將天然氣轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)后在

管道中運(yùn)送，這樣既可以節(jié)省動力，又可以增加運(yùn)輸速率。

超臨界二氧化碳具有低粘稠度、高擴(kuò)散性、易溶解多種物質(zhì)、且無毒無害，可用于清洗各種精密儀器，亦可代替干洗所用的氯氟碳化合物，以及處理被污染的土壤。

超臨界二氧化碳可輕易穿過細(xì)菌的細(xì)胞壁，在其內(nèi)部引起劇烈的氧化反應(yīng)，殺死細(xì)菌。

利用超臨界流體進(jìn)行萃取.將萃取原料裝入萃取釜。采用二氧化碳做為超臨界溶劑。二氧化碳?xì)怏w經(jīng)熱交換器冷凝成液體，用加壓泵把壓力提升到工藝過程所需的壓力(應(yīng)高于二氧化碳的臨界壓力)，同時調(diào)節(jié)溫度，使其成為超臨界二氧化碳流體。二氧化碳流體作為溶劑從萃取釜底部進(jìn)入，與被萃取物料充分接觸，選擇性溶解出所需的化學(xué)成分。含溶解萃取物的高壓二氧化碳流體經(jīng)節(jié)流閥降壓到低于二氧化碳臨界壓力以下進(jìn)入分離釜(又稱解析釜)，由于二氧化碳溶解度急劇下降而析出溶質(zhì)，自動分離成溶質(zhì)和二氧化碳?xì)怏w二部分，前者為過程產(chǎn)品，定期從分離釜底部放出，后者為循環(huán)二氧化碳?xì)怏w，經(jīng)過熱交換器冷凝成二氧化碳液體再循環(huán)使用。整個分離過程是利用二氧化碳流體在超臨界狀態(tài)下對有機(jī)物有特異增加的溶解度，而低于臨界狀態(tài)下對有機(jī)物基本不溶解的特性，將二氧化碳流體不斷在萃取釜和分離釜間循環(huán)，從而有效地將需要分離提取的組分從原料中分離出來。

超臨界水具有非常強(qiáng)的極性，可以溶解極性極低的芳烴化合物及各種氣體（氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳等），能夠促進(jìn)擴(kuò)散控制的反應(yīng)速率，具有重要的工程意義。

通入有機(jī)廢物進(jìn)行氧化反應(yīng)，即超臨界水氧化法（supercritical water oxidation，SCWO）。其結(jié)果是有機(jī)廢物被*氧化成二氧化碳、氮氣、水及可以從水中分離的無機(jī)鹽等無毒的小分子化合物，達(dá)到凈水的目的。

常見臨界點

常見的是超臨界二氧化碳，其臨界溫度為31.06℃，臨界壓力為7.38Mpa

超臨界水的臨界點為374℃，22Mpa

超臨界甲醇為239℃，8.1MPa

超臨界流體反應(yīng)系統(tǒng)

超臨界流體萃取、反應(yīng)、清洗與干燥系統(tǒng)

主要特征z 釜體結(jié)構(gòu)：快開快關(guān)、螺紋緊固、易清洗、易裝填z 系統(tǒng)流量控制：背壓調(diào)節(jié)器z 溫度數(shù)字顯示與控制：- 萃取釜（內(nèi)溫與壁溫）- 分離釜（內(nèi)溫與壁溫）- 萃取釜與分離釜之間計量調(diào)節(jié)閥- 分離釜后背壓調(diào)節(jié)器z 壓力數(shù)字顯示與控制：- 萃取釜- 分離釜z 萃取與分離壓力：常壓~10,000 psi（68.9Mpa）可調(diào)可控z 操作溫度：250 ℃。特殊設(shè)計的加熱系統(tǒng)，保持被加熱單元可以被空氣有效冷卻，協(xié)助提高溫度精度到+/- 0.1℃z 主要組件已經(jīng)百年驗證，安全可靠z 隔膜式壓縮機(jī)無需任何輔助設(shè)備能夠壓縮氣體與液體 CO2，CO2的供應(yīng)壓力可低至 10Bar，利用率高z 數(shù)顯累積流量儀，測量、數(shù)顯并記錄 CO2的即時與累積流量z 特殊設(shè)計的 CO2流向轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)高的萃取率z 萃取釜攪拌系統(tǒng)（可選），可有效提高萃取率或進(jìn)行超臨界反應(yīng)z 標(biāo)準(zhǔn)的一萃一分配置可升級為二萃二分等z 冷阱配置（可選），實現(xiàn) 100%收集率輸出記錄儀（可選）z 標(biāo)準(zhǔn)配置：采用內(nèi)置微機(jī)本地界面控制z PLC/HMI 人機(jī)對話觸摸屏操作界面（可選）z 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）（可選）z CO2 回收系統(tǒng)（可選）

系統(tǒng)概況z 二氧化碳超臨界萃取的基本原理：將超臨界流體與萃取物（液體或固體）充分接觸，使被萃取物充分溶解在超臨界流體中，然后改變溫度或壓力（即改變超臨界流體的密度），使被萃取物析出。

超臨界流體兼有液體和氣體的雙重特性：粘度接近氣體，擴(kuò)散系數(shù)為一般液體的 10 倍，因此傳質(zhì)速率快；密度接近液體，因此有很強(qiáng)的溶解能力，并可通過調(diào)節(jié)壓力、溫度或加入其它助劑改變?nèi)芙舛取 NP 系列超臨界二氧化碳萃取工藝系統(tǒng)主要的設(shè)計為典型的一萃一分配置，同時系統(tǒng)也可設(shè)計成兩個萃取釜與兩個分離釜的配置，即二萃二分配置。標(biāo)準(zhǔn)配置采用內(nèi)置微機(jī)本地界面控制。該設(shè)備所取得的試驗參數(shù)齊全，備直接放大到工業(yè)設(shè)備的價值。z 該系統(tǒng)在使用二氧化碳作為超臨界流體時均可達(dá)到 10,000 PSI（68.9Mpa）操作壓力與 250℃的操作溫度。系統(tǒng)包括一個或兩個萃取釜、一個或兩個分離釜、電動二氧化碳增壓泵（金屬隔膜壓縮機(jī)）、利用壓縮熱實現(xiàn)預(yù)熱、冷阱、數(shù)顯累積流量儀、以及所有完整的管路、閥門、儀表等。實驗室設(shè)備系統(tǒng)支架帶有萬向輪，可方便移動。萃取釜與分離釜中的壓力通過 K?mmerTM 控制閥和換熱器控制。z 超臨界流體萃取系統(tǒng)組成：萃取釜與分離釜各自獨立的溫度和壓力控制系統(tǒng)、流量閥精密控制系統(tǒng)、無油無污染隔膜式壓縮機(jī)、夾帶劑泵、萃取釜、分離釜、改變二氧化碳流體方向的閥組、防爆單元、氣體流量計、數(shù)顯式累積流量儀、冷阱（可選件）、完整的管路閥門系統(tǒng)等z 系統(tǒng)采用無污染隔膜式壓縮機(jī)作為升壓裝置，無污染隔膜式壓縮機(jī)具有非常強(qiáng)大的壓縮升壓能力，不僅可以壓縮液態(tài)二氧化碳，還可以直接壓縮氣態(tài)二氧化碳z 與普通的二氧化碳高壓泵（特別是氣動泵）相比，無污染隔膜式壓縮機(jī)的特點是獨立工作的能力，它不需要再配備任何額外的輔助設(shè)備，比如空氣壓縮機(jī)（或空氣鋼瓶）和外循環(huán)制冷機(jī)。因此操作非常簡單，設(shè)備的操作參數(shù)不受輔助設(shè)備的影響，具有良好的穩(wěn)定性

系統(tǒng)操作系統(tǒng)工作原理與流程：氣態(tài)或液態(tài) CO2從貯藏罐（或鋼瓶）→ 過濾器→ 無油無污染隔膜式壓縮機(jī)（升壓）→ 背壓閥（流量壓力與調(diào)節(jié)）→ 萃取釜（萃取樣品）→ 精密計量閥（流量調(diào)節(jié)）→ 分離釜（萃取產(chǎn)物與 CO2分離）→ 背壓閥（流量壓力與調(diào)節(jié)）→ 冷阱（可選項）→ 氣體流量計→ 數(shù)顯式累積流量儀→CO2排空(CO2 回收系統(tǒng)可選)

系統(tǒng)配置 :標(biāo)準(zhǔn)配置- 溫度、壓力、流量顯示控制器：LED 數(shù)字顯示

- 報警裝置：亮燈提示、聲音提示、PID 聯(lián)動自動鎖定

- 安全保護(hù)裝置：高壓/低壓報警、長久穩(wěn)定的蝶型爆破片于 11500psi 下爆破、聯(lián)動互鎖停機(jī)

- 溫度控制系統(tǒng)：獨立控制釜內(nèi)流體的真實溫度、背壓閥的溫度、分離釜的溫度。溫度范圍：常溫-250℃。特殊設(shè)計的加熱系統(tǒng)，保持被加熱單元可以被空氣有效冷卻，協(xié)助提高溫度精度到+/- 0.1℃。加熱體結(jié)構(gòu)為快開快關(guān)式

- 壓力控制系統(tǒng)：操作壓力 10,000 psi（68.9MPa），壓力精度：+/-10~20 psi。指針式壓力表顯示電動隔膜式二氧化碳增壓泵的入口壓力。系統(tǒng)壓力數(shù)字顯示

- 流量控制系統(tǒng)：萃取釜前液體 CO2流速由電動隔膜式二氧化碳增壓泵控制液體；萃取釜與分離釜之間的流量由精密計量閥控制；分離釜后的 CO2流速由壓力調(diào)節(jié)器控制

- 數(shù)顯累積流量儀：數(shù)字顯示瞬時流量和累積流量

- 萃取釜：1000ml（用戶選擇），1 個，大操作壓力10,000PSI，操作溫度 250℃

- 二氧化碳流向轉(zhuǎn)換設(shè)計：*的設(shè)計可實現(xiàn)實驗過程中輕易改變 CO2流體通過萃取釜的方向，即上湍流與下湍流兩種動態(tài)萃取模式-

分離釜：300ml，1 個，操作壓力 10,000PSI，操作溫度 250℃，底部帶有手動出料閥- 冷阱：承受溫度為 -200℃，可直接加入液氮或干冰作為制冷介質(zhì)

萃取釜體積: 萃取釜配備5微米金屬燒結(jié)過濾器與二氧化碳流向轉(zhuǎn)換裝置- 50, 100, 500 mL, 1, 2, 5, 10, 20, 50 L

分離釜體積: 分離釜配備5微米金屬燒結(jié)過濾器，可配備多個分離釜，串聯(lián)安裝或平行安- 50, 100, 300, 500 mL, 1, 2, 5, 10, 20, 50 L

選項配置

- 夾帶劑加入單元: 在線、連續(xù)、定量加入夾帶劑

- 平行操作的多個萃取釜: 50mL~ 50L (帶5微米金屬燒結(jié)過濾器)

- 固體框欄: 金屬燒結(jié)，帶蓋

- 冷阱: 用于100%收集小分子量易揮發(fā)的萃取物

- 輸出記錄儀

- PLC/HMI人機(jī)對話觸摸屏操作界面

- 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）

- CO2回收系統(tǒng)全自動數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) (DAQ)OM?Daq?USB?2401用來獲取所有操作數(shù)據(jù)到計算機(jī)界面上