超臨界流體科學與技術(shù)ppt課件

1、目目 錄錄概述概述1SCF在資料科學中的運用在資料科學中的運用2SCF 萃取分別技術(shù)萃取分別技術(shù)3SCF 在印染工業(yè)中的運用在印染工業(yè)中的運用4SCF 在噴涂工業(yè)中的運用在噴涂工業(yè)中的運用5SCF 清洗清洗61.概述1.11.1概念：概念：超臨界流體超臨界流體Supercritical Fluids, SCFSupercritical Fluids, SCF 普通指用于溶解物質(zhì)的超臨界形狀溶劑，該普通指用于溶解物質(zhì)的超臨界形狀溶劑，該溶劑處于氣態(tài)和液態(tài)平衡時，流體密度和飽溶劑處于氣態(tài)和液態(tài)平衡時，流體密度和飽和蒸汽密度一樣，即處在其臨界溫度和臨界和蒸汽密度一樣，即處在其臨界溫度和臨界壓力以上的

2、形狀壓力以上的形狀 。 SCF SCF 接近于液體的密度接近于液體的密度 良好的溶良好的溶解性解性 SCF SCF 接近于氣體的粘度接近于氣體的粘度 分散系數(shù)分散系數(shù)較大較大 良好的傳質(zhì)性能良好的傳質(zhì)性能超臨界二氧化碳超臨界二氧化碳SC-CO2SC-CO2：Pc=7.38MPa Pc=7.38MPa Tc=31.19 /304.34K Tc=31.19 /304.34K 超臨界水：超臨界水： Pc=22.1MPa Tc=374.15/ Pc=22.1MPa Tc=374.15/ 647.3K647.3K 相比較而言，相比較而言，SC-CO2SC-CO2更容易獲得。更容易獲得。 1.概述1.21

3、.2超臨界超臨界CO2(SC-CO2)CO2(SC-CO2)：純純CO2CO2密度與壓力和溫度的關(guān)系密度與壓力和溫度的關(guān)系純純CO2CO2相圖相圖/PTTrT TcPrP Pc 溶解度1.2 SCF1.2 SCF運用范圍運用范圍1.概述ExtractionFractionation CrystallizationMicronizationDry cleaningColouringDecolourisingPolymersSolvent recoveryDe-/hydrogenationPolymerizationPartial oxidationDe-/hydration2.SCF在資料科學中

4、的運用 研討主要涉及超細微粒資料、微孔資料、復(fù)合資料的制備和性能研討。 2.1 SCF在超細微粒制備中的運用SCF結(jié)晶技術(shù) 常用方法：RESS、SAS、GAS、SCFD、PCA 2.1.1 快速膨脹法RESS，Rapid Expansion of Supercritical Solution 根本原理：將溶質(zhì)溶解于一定溫度和壓力的SCF中，然后使超臨界溶液在非常短的時間(10-810-5s)內(nèi)經(jīng)過一個特制的噴嘴(2560m)進展減壓膨脹，此時溶液的過飽和度可達105108，從而使溶質(zhì)在較短的時間內(nèi)生成大量微小的、粒度分布均勻超細微粒。 微粒的尺寸可用溫度、壓力、噴嘴口徑大小、流體噴出速度等過程

5、參數(shù)調(diào)理。 適用范圍：RESS主要用于在超臨界流體中有一定溶解度的體系。2.SCF在資料科學中的運用RESS流程圖2.SCF在資料科學中的運用2.1.2 SCF抗溶劑法(SAS，Supercritical Anti-Solvent)根本原理：某些高壓氣體或超臨界流體在有機溶劑中的溶解度很大，并且使有機溶劑的體積膨脹，內(nèi)聚能密度降低，從而降低了有機溶劑對溶質(zhì)的溶解才干，在短時間內(nèi)構(gòu)成較大的過飽和度使溶質(zhì)結(jié)晶析出，構(gòu)成純度高粒徑分布均勻的超微顆粒。SAS過程可分為間歇操作和延續(xù)操作兩種方式。間歇操作：在非平衡條件下進展，分為兩種情況；延續(xù)操作：恒壓條件下進展，在結(jié)晶釜中參與抗溶劑打到預(yù)設(shè)的溫度和壓

6、力，同時將溶液和抗溶劑gas/SCF以逆流或順流的方式，按一定的流量比例加到沉淀釜中； SEDS超臨界流體快速分散法噴嘴構(gòu)造復(fù)雜便于控制顆粒大小和粒徑分布 2.SCF在資料科學中的運用SAS流程圖2.SCF在資料科學中的運用僅經(jīng)過改動體系的壓力僅經(jīng)過改動體系的壓力 而實現(xiàn)，無需添加其他而實現(xiàn)，無需添加其他 物質(zhì)，防止了其他雜質(zhì)物質(zhì)，防止了其他雜質(zhì) 對產(chǎn)品的污染。對產(chǎn)品的污染。不涉及大量流體溶劑的使不涉及大量流體溶劑的使 用，減少了廢水排放和回用，減少了廢水排放和回 收溶劑時的能耗。收溶劑時的能耗。所運用的超臨界流體普通所運用的超臨界流體普通 只需再緊縮即可循環(huán)運用只需再緊縮即可循環(huán)運用 ，大大

7、簡化了工藝流程，大大簡化了工藝流程 ?？色@得粒度分布狹窄的晶可獲得粒度分布狹窄的晶 體并且易于調(diào)整。體并且易于調(diào)整。SCF超微制備超微制備RESSSAS可以制備不溶于可以制備不溶于SCFSCF的物質(zhì)的物質(zhì)的超微顆粒。的超微顆粒。選擇適宜的選擇適宜的SCFSCF和操作條件和操作條件，溶液中的溶劑會被，溶液中的溶劑會被SCFSCF全全部溶解，析出的溶質(zhì)可以是部溶解，析出的溶質(zhì)可以是無污染的枯燥顆粒。無污染的枯燥顆粒。經(jīng)過控制超臨界流體與溶經(jīng)過控制超臨界流體與溶液的混合速率，就可控制溶液的混合速率，就可控制溶質(zhì)的析出速率，從而控制析質(zhì)的析出速率，從而控制析出顆粒的大小與外形。出顆粒的大小與外形。2.

8、3 RESS與SAS對比2.SCF在資料科學中的運用2.3 超微制備的關(guān)鍵部件： 超微制備噴嘴是超微制備設(shè)備研討的熱點和難點問題，目前，雖然各種噴嘴在實驗中甚至中試中獲得了理想的效果，但是都存在一定的局限性。 引見：本課題組設(shè)計軸向擴展的組合噴嘴。按照不同的實驗要求，可選用根本構(gòu)件組裝成各種噴嘴。二通道外混噴嘴二通道內(nèi)混噴嘴三通道內(nèi)外混合噴嘴軸向擴展型單通道噴口3.SCF 萃取分別技術(shù)3.1 SCF 萃取分別根本原理： 經(jīng)過調(diào)理操作溫度和壓力來改動流體的密度，從而改動流體的萃取才干，實現(xiàn)不同物質(zhì)的萃取分別，即利用溶質(zhì)在不同條件下在SCF中溶解度的不同進展的溶解分別。3.3 SCF萃取分別方法：

9、靜態(tài)法、半延續(xù)法和延續(xù)法。3.4 主要影響要素：3.3.1被分別物質(zhì)在SCF中的溶解度：萃取介質(zhì)、萃取溫度和壓力。3.3.2動力學要素：流體流速和分別器構(gòu)造等。3.2 SCF 萃取分別運用范圍：食品、香料和藥物有效成分的提??；石油、煤炭的加工過程；水中有機物的提純；織物洗滌、精細器件的清洗；環(huán)境污染物的去除等。3.SCF 萃取分別技術(shù)3.5 SCF 萃取分別主要特點：SCF萃取實現(xiàn)萃取和分別過程一體化，運用溶劑較少，方法簡單，且節(jié)省能量。SCF萃取才干與流體的密度有關(guān)，經(jīng)過改動流體的溫度和壓力，可以改動流體對溶質(zhì)的溶解度，故操作參數(shù)易于調(diào)理。利用分級延續(xù)流動，可同時有選擇地實現(xiàn)多種物質(zhì)的分別。

10、SCF外表張力為零，具有很高的分散系數(shù)，傳質(zhì)速率快，萃取效率高。SCF易于循環(huán)運用，且不會呵斥環(huán)境污染或環(huán)境污染小。3.6 SCF 萃取分別工藝：等壓變溫工藝：緊縮機能耗相對較小，但對熱敏性物質(zhì)有影響。等溫變壓工藝：無溫度變化，操作簡單，但投資大，能耗高。恒溫恒壓工藝：節(jié)能效果最正確，但需特殊吸附劑。3.SCF 萃取分別技術(shù)等溫變壓工藝流程等壓變溫工藝流程3.SCF 萃取分別技術(shù)3.7 SCF 萃取分別過程影響要素：萃取釜 萃取釜體積很大程度上決議萃取的規(guī)模才干，普通采用快開安裝，目的是為了提高任務(wù)效率。SCF流量 過大的SCF流量，會呵斥細粉的夾帶、堵塞管道。萃取釜高徑比 SCF流速一定，增

11、大萃取釜內(nèi)徑，消費才干提高，但同時萃取釜制造本錢增大。普通實驗室規(guī)模為230。CO2加壓安裝 緊縮機：不需對CO2冷凝液化，安裝簡單，但效率低，能耗高，噪音大。 高壓泵：需求對CO2冷凝液化，安裝復(fù)雜，效率高，能耗低，噪音小。 實踐過程中：運用緊縮機對低壓CO2進展加壓，加壓到一定壓力后，運用高壓泵升至所需壓力。溶劑萃取溶劑萃取超臨界萃取超臨界萃取溶劑殘留不可防止完全無溶劑殘留，純真存在重金屬無重金屬溶劑的溶解才干為定值溶解才干隨溫度和壓力變化能夠運用高溫，熱敏物質(zhì)分解通常在較低溫度下，不分解存在無機鹽被萃取的問題無無機鹽殘留溶劑選擇性差選擇性好，防止構(gòu)成聚合物需額外的操作單元來脫除溶解在線分

12、別，有效物質(zhì)收率高3.SCF 萃取分別技術(shù)4.SCF 在印染工業(yè)中的運用4.1 SC-CO2染色根本原理： 利用SC-CO2具有高溶解性和高浸透性，使纖維高聚物分子膨脹，產(chǎn)生纖維空隙，將染料溶解并攜帶到織物中完成染色，CO2經(jīng)過逐級降壓或快速降壓與染料分別，經(jīng)冷卻、緊縮后循環(huán)運用。4.2 SC-CO2染色工藝4.2.1 靜態(tài)工藝：染料和待染物被封鎖在高壓染色釜中，再通入SC-CO2，使之到達染色工藝所需的超臨界條件進展染色，并經(jīng)過攪拌器使染液在染色釜中流動。4.2.2動態(tài)工藝：染液不斷在高壓染色釜與染料釜之間往復(fù)循環(huán)，當SCF經(jīng)過染料釜時，染料不斷溶解到流體中，帶有染料的SCF經(jīng)過染色釜時，染

13、料就上染到織物或紗線上。4.SCF 在印染工業(yè)中的運用靜態(tài)工藝動態(tài)工藝4.SCF 在印染工業(yè)中的運用4.3 SC-CO2染色的優(yōu)點：水染色工藝SC-CO2染色工藝廢 水廢 水能 源空 氣助 劑水水助 劑染 料染 色 完 成烘 干后 道 清 洗染 色 過 程纖 維4.SCF 在印染工業(yè)中的運用4.4 SC-CO2的染色循環(huán)：SC-CO2壓力溫度相圖中的染色循環(huán)4.SCF 在印染工業(yè)中的運用4.5 SC-CO2染色工藝步驟SC-CO2染色PET工藝步驟和參數(shù)4.SCF 在印染工業(yè)中的運用主要控制染料 SCF中的溶解 度和在其中的分散速度主要是控制SCF流體的密度和染料在其中的溶解度染色時間大大縮短

14、，普通只需求3090分鐘。主要影響染料在被染物中的傳質(zhì)速度以及SCF流體的溶解才干4.6 SC-CO2染色影響要素溫度80160壓力2030Mpa染色時間3090min4.SCF 在印染工業(yè)中的運用4.7 SC-CO2染色主要設(shè)備染色釜筒體染液分布器 （進液）染液分布器X2（出液）導(dǎo)布輥X7繞布輥X2織物4.SCF 在印染工業(yè)中的運用4.5 SC-CO2染色存在的問題：如何將實驗室工藝條件放大到工業(yè)化設(shè)備中；如何實現(xiàn)安裝的大型化、延續(xù)化、裝卸快捷化； 如何實現(xiàn)天然纖維的超臨界流體染色；如何實現(xiàn)染料種類的多樣化；如何建立染色動力學、熱力學模型；對不不同染料染整過程中的設(shè)備清洗問題；5.SCF 在

15、噴涂工業(yè)中的運用5.1 SCF 噴涂的根本原理： 以SC-CO2替代傳統(tǒng)的易揮發(fā)性有機溶劑(VOC)，利用SC-CO在許多涂料中的溶解度較大，容易與成膜物質(zhì)及活性溶劑構(gòu)成均相的涂料溶液，然后經(jīng)過特殊的噴嘴的小孔噴出。5.2 減壓霧化： SC-CO2噴涂過程中，當噴涂液分開噴嘴后，壓力瞬間消逝，溶解在噴涂液中的超臨界CO2處于過飽和形狀，CO2的急劇解吸產(chǎn)生一種強大的膨脹力，從而導(dǎo)致猛烈的霧化。在噴嘴出口產(chǎn)生了較寬的噴涂扇面, 同時也就產(chǎn)生了液滴具有高均勻性、 勻稱的拋物線狀的噴涂扇面。 液滴平均粒徑2050m，根據(jù)壓力與流量閥調(diào)理。有利于隔離空氣中的濕氣、氧氣和灰塵，減少噴涂過程中對潮氣的吸收

16、，從而降低了噴涂操作對環(huán)境濕度的要求。5.SCF 在噴涂工業(yè)中的運用5.3 SC-CO2 噴涂工藝的影響要素：SC-CO2 噴涂噴涂溫度溫度壓力壓力CO2流量流量噴嘴構(gòu)造噴嘴構(gòu)造最適宜工藝條件：溫度4070， 壓力8.511.0Mpa 在實驗范圍內(nèi)，溫度越高，壓力越大，CO2含量越大，得到的霧化粒子越小，噴霧錐角越大。噴嘴孔徑越小，長徑比越小，越能夠得到小的霧化粒子5.SCF 在噴涂工業(yè)中的運用5.4 SC-CO2噴涂存在的問題： 雖然SC-CO2噴涂在經(jīng)濟效益、涂層性能以及環(huán)境與平安方面和傳統(tǒng)緊縮空氣噴涂相比都有許多令人稱心的優(yōu)點，但與許多成熟的技術(shù)相比較，還存在一些缺陷需求抑制。設(shè)備：設(shè)備

17、： 改良型無氣噴涂系統(tǒng)改良型無氣噴涂系統(tǒng) 噴槍、噴槍、氣料混合安裝、氣瓶氣料混合安裝、氣瓶噴槍：噴槍：流量閥和壓力閥控制流量、壓力、放流量閥和壓力閥控制流量、壓力、放射角度和速度；射角度和速度；控溫性能好，運用過程中不會降溫；控溫性能好，運用過程中不會降溫；封鎖射流不引起閥和噴嘴的顫抖；封鎖射流不引起閥和噴嘴的顫抖；噴嘴中壓力下降不要過大噴嘴中壓力下降不要過大6.SCF 清洗6.1 SCF清洗根本原理： SCF具有許多特性,如低外表張力、低粘度、高密度、高分散性等,尤其可操控的溶劑特性，利用SCF替代傳統(tǒng)清洗工藝中的有機溶劑及水性溶劑進展的完全無水的清洗過程。 詳細而言：普通情況下,超臨界CO2的溶解度隨壓力的增大而增大,將壓力和溫度適當變化,會引起溶解度在102103倍的范圍內(nèi)變化。超臨界CO2清洗技術(shù)就是利用了這個特性,在清洗時添加壓力,可以使污染物最大限制溶于超臨界CO2中;清洗終了后,經(jīng)過減壓或降溫,可以使CO2與污物分別。6.2 SCF清洗工藝SC-CO2 清洗工藝流程分間歇式和半延續(xù)式兩種。該過程中的主體設(shè)備清洗罐是一個高壓設(shè)備, 其操作壓力普通為10 25MPa, 其操作溫度普通在40 80 。6.SCF 清洗