2022年超临界CO流体萃取装置IPC-PLC自动控制系统设计 .pdf

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1、1 东华理工学院长江学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）中文题目超临界 CO2 流体萃取装置 IPC-PLC自动控制系统设计英文题目The IPC-PLC Automatic Control System Design for Supercritical CO2 Fluid Extraction Device 学生姓名高立楠专业自动化班级02312420 指导教师罗勇老师郭文老师二 零 零 六 年 六 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 46 页 - - -

2、- - - - - - 目 录绪论,1 1. 超临界 CO2流体萃取的基本原理 ,7 1.1 超临界流体 ,7 1.1.1 纯溶剂的行为,7 1.1.2 临界点,8 1.1.3 超临界流体的性质 ,9 1.1.4 超临界流体条件下的溶解度,9 1.1.5 超临界流体的传递性质,9 1.1.6 超临界流体的选定 ,10 1.2 超临界 CO2流体萃取,11 1.2.1 超临界 CO2流体萃取的基本原理,12 1.2.2 超临界 CO2流体萃取的基本过程,13 1.2.3 超临界 CO2流体萃取的基本方式,13 1.2.4 超临界 CO2 流体萃取的特点 ,14 1.2.5 超临界 CO2 流体萃

3、取条件的选择 ,14 1.3 夹带剂的使用,15 2. 超临界 CO2流体萃取的基本流程及操作,16 2.1 超临界 CO2流体萃取的基本流程 ,16 2.1.1 基本流程,162.1.2 根据工艺要求增加流程,16 2.1.3 组合形式,17 2.1.4 超临界 CO2 萃取装置特点,17 2.2 超临界 CO2流体萃取基本操作步骤 ,17 2.2.1 基本操作步骤 ,17 2.2.2 温度控制的基本操作步骤 ,18 2.3 超临界 CO2流体萃取的基本设备 ,18 3. IPC-PLC自动控制系统,20 3.1 自动控制系统的组成,20 3.2 自动控制系统的设计,20 3.2.1 硬件设

4、计,21 3.2.2 工控机,21 3.2.2.1 工控机的技术特点 ,22 3.2.2.2 工控机的主要结构 ,22 3.2.3 信号处理中枢（可编程控制器PLC ）1 5 ,23 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）目录II 3.2.3.1 可编程序控制器的特点 ,24 3.2.3.2 可编程序控制器的工作过程,24 3.2.4 软件设计 ,28 3.3 系统的主参数（压力、温度）控

5、制,31 4.机器选型 ,34 4.1 机器选型的基本原则 ,34 4.2 压缩机的选型 ,35 4.3 高压泵的选型 ,35 4.4 电动机的选型,36 4.4.1 异步交流电动机 ,36 4.4.2 同步交流电动机 ,37 4.4.3 直流电动机,38 4.4.4 电动机的运行条件 ,38 4.4.5 小功率三相异步电动机的选择原则,39 小结 ,41 致谢 ,42 参考文献,43 附录 ,45 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 46 页 - - - -

6、 - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）摘要摘要超临界流体是指处于临界温度Tc 和临界压力 Pc以上的流体。在临界点上，流体具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，又具有与液体相近的密度和良好的溶解能力。其溶解度的对数在一定范围内与流体密度的对数成线性关系，故可以通过控制 T，P，改变其密度，从而改变物质的溶解度，进行选择性萃取。利用超临界 CO2流体萃取技术萃取天登烟叶制备天登烟净油，所得净油为红褐色澄清透亮的半膏体，净油得率为3.64.3%。净油经 GC/MS 分析鉴定，其中喊有大量的烟草特征致香化合物如：茄酮、BETA 大马酮、 BETA 二氢大马酮、二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮、紫

7、罗兰醇、新植二烯、六氢金合欢酮等。和丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸、异己酸、十二酸、十四酸、十六酸等有机酸。卷烟加香评吸试验结果表明该净油能提升烟草本身香气，使烟香丰满飘逸、质地细腻柔和，抑制刺激，掩盖杂气，并能赋予卷烟独特的风格特征，可明显增加卷烟的抽吸品质，是一种理想的高品质烟用香料。关键词超临界 CO2流体萃取；天登烟叶；烟草净油；致香成分；气质联用分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设

8、计 （论文）Abstract Abstract The supercritical fluid is refers in critical temperature Tc and the critical pressure Pc above fluid. In the critical point, the fluid has with the gas suitable high diffusion coefficient and the low viscosity, also has the liquid close density and good dissolving capacity.

9、Its solubility logarithm becomes the linear relations in certain scope with the fluid density logarithm, therefore may through control T, P, changes its density, thus the change material solubility, carries on the selective extract. The essence was distilled from Tiandeng Tobacco by means of Supercr

10、itical Carbon Dioxide Fluid Extraction. The transparent semisolid essence with red-brown color,and the yield of extraction was 3.64.3 percent.The volatile chemical compositions in the essence were separated and identified by GC/MS. The main Fragrance compounds essence were 6,8-nonadien-2-one,8-methy

11、1-5-(methy1ethy1)-,(E)-,Bete-Damascenone,3-Buten-1-one,4-2,6,6-trimethy1-1-cyclohexen-1-y1-,2(4H)Dihydroactindilide,Megastigmatrienone,Alpha-Ionol,Neophytadiene,Farnesyl Acetone. Also a mass of organic acids were identified from essence,such as Butyric acid,Isobutyric acid,valeric acid,isovaleric ac

12、id,Dodeccanic acid,Tetradecanoic acid,Hexadeccanic acid ect.The sensory evaluation and cigarette flavoring experiment showed that the essence of tiandeng Tobacco could enhance Tobacco aroma,improve taste obviously,make smoke smooth and sweetness,reduce the irritancy of smoke,and provid particular fr

13、agrance. The essence of tiandeng Tobacco is an excellent tobacco flavor. Keyword Supercritical Carbon Dioxide Fluid Extraction(SFE)；Tiandeng Tobacco ；Tobacco Essence；Fragrance Component ；GC/MS 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 46 页 - - - - - - - -

14、- 东华理工学院毕业设计（论文）绪论1 绪论超临界流体萃取技术是当今世界上最先进的一种分离和提取技术，近几十年来引起了全世界科研人员的极大兴趣，经过广大科研人员的努力， 已取得长足的进步。 在医药、化工、食品、石油、环保、化妆品等领域完成了一批很有价值的课题，在全世界范围内已形成了一个新的产业。 开发利用超临界流体萃取技术实现大工业化生产是我国广大科研人员把已在实验室研制的几十项或上百项科研成果转化成为生产力和经济效益的一个重大突破。国内外发展情况超临界流体具有特殊的溶解能力，是19 世纪末由美国人发现的。直到20 世纪70 年代，德国人才应用到啤酒工艺中去提取啤酒等工业应用。80 年代，中国

15、和日本同时起步，现在日本的工业化应用已领先世界水平。中国于80 年代起步，不少科研院所都积极努力探索、实践，搞出的成果也很多。例如：辣椒红色素、当归油、大蒜油、紫草红色素、花椒油、卵磷脂等等不下几百种，但大都是处于实验室的成果。目前国内有几家能够生产超临界设备的厂家（从一升到两百升），这只能满足于实验室和一些比较昂贵的产品的萃取，而从目前国内的一些研究成果及需求看，还远不能满足大工业化生产的需求。为什么我国要在超临界萃取领域实行工业化我国是动植物自然资源比较丰富的国家，许多资源品种和数量位居世界前列，天然色素、香精、化妆品、都是人类赖以生存、繁衍昌盛的宝贵资源。由于我国的深加工技术落后， 特别

16、是一些经济不发达地区， 许多宝贵的自然资源被白白浪费或作为原料廉价出口，由国外做深加工处理之后再高价返销到国内，如：啤酒行业、茶叶行业、色素香精等。 果皮、果核等各种废料的综合利用，草药西化和国际草药市场接轨都急需大型的超临界萃取设备，它将使贫困地区的廉价自然资源变成高附加值的绿色产品。超临界 CO2 流体萃取技术的应用超临界流体萃取技术是七十年代末才兴起的一种新型生物分离精制技术近年来发展迅速，特别是1978 年在西德埃森举行全世界第一次“超临界气体萃取”的专题讨论会以来，被广泛应用于化学、石油、食品、医药、保健品等领域，受到世界各国的普遍重视，在我国已被列为九五期间国家重点开发的高科技项目

17、。超临界萃取是最早研究和应用的超临界技术之一，适用于食品和医药工业。 在美国和欧洲，年生产能力上万吨的茶叶处理和脱咖啡因工厂早已投入生产，啤酒花有效成分、香料等的萃取在不少国家已达到产业化规模。超临界萃取技术在药物、 保健品提取等方面的研究和应用也取得了较大进展，美国科学家已开始用超临界CO2 从植物中提取抗癌药物，从油子中提取保健品。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）绪论2 超临界萃

18、取技术在其它方面也有着广泛的应用前景。如金属与适当配位体生成络合物后，可以溶解于超临界CO2 。利用这一性质，可以将一些金属直接从固体和液体中提取出来，不需任何前处理过程，为金属的提取和分离提供了新的途径。同时，人们还可以借助超临界萃取技术，根据聚合物分子量、 结构和化学组成对聚合物混合物进行分离。目前研究较多的超临界流体是二氧化碳，因其具有无毒、 不燃烧、对大部分物质不反应、价廉等优点，最为常用。在超临界状态下，CO2 流体兼有气液两相的双重特点，既具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，又具有与液体相近的密度和物质良好的溶解能力。 其密度对温度和压力变化十分敏感，且与溶解能力在一定压力范围内成

19、比例， 所以可通过控制温度和压力改变物质的溶解度。二氧化碳是一种很常见的气体，但是过多的二氧化碳会造成 温室效应 ，因此充分利用二氧化碳具有重要意义。传统的二氧化碳利用技术主要是用于生产干冰（灭火用） 或作为食品添加剂等。 目前国内外正在致力于发展一种新型的二氧化碳利用技术超临界CO2 萃取技术。运用该技术可生产高附加值的产品，可提取过去用化学方法无法提取的物质，且廉价、无毒、安全、高效；适用于化工、医药、食品等工业。在食品方面的应用目前已经可以用超临界二氧化碳从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、可可豆中提取油脂，这种方法比传统的压榨法的回收率高， 而且不存在溶剂法的溶剂分离问题。传统的食用油提

20、取方法是乙烷萃取法，但此法生产的食用油所含溶剂的量难以满足食品管理法的规定，美国采用超临界二氧化碳萃取法（SCFE ）提取豆油获得成功，产品质量大幅度提高，且无污染问题。目前，已经可以用超临界二氧化碳从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、棕榈、可可豆中提取油脂，且提出的油脂中含中性脂质，磷含量低，着色度低，无臭味。这种方法比传统的压榨法的回收率高，而且不存在溶剂法的溶剂分离问题。专家们认为这种方法可以使油脂提取工艺发生革命性的改进。咖啡中含有的咖啡因， 多饮对人体有害， 因此必须从咖啡中除去。 工业上传统的方法是用二氯乙烷来提取， 但二氯乙烷不仅提取咖啡因， 也提取掉咖啡中的芳香物质，而且残存的二

21、氯乙烷不易除净，影响咖啡质量。西德Max-plank 煤炭研究所的 Zesst博士开发的从咖啡豆中用超临界二氧化碳萃取咖啡因的专题技术，现已由西德的 Hag公司实现了工业化生产， 并被世界各国普遍采用。 这一技术的最大优点是取代了原来在产品中仍残留对人体有害的微量卤代烃溶剂，咖啡因的含量可从原来的1% 左右降低至 0.02%，而且 CO2的良好的选择性可以保留咖啡中的芳香物质。美国 ADL公司最近开发了一个用SCFE 技术提取酒精的方法，还开发了从油腻的快餐食品中除去过多的油脂， 而不失其原有色香味及保有其外观和内部组织结构的技术，且已申请专利。在医药保健品方面的应用名师资料总结 - - -精

22、品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）绪论3 在抗生素药品生产中， 传统方法常使用丙酮、 甲醇等有机溶剂， 但要将溶剂完全除去，又不是要变质非常困难。若采用SCFE 法则完全可符合要求。另外，用 SCFE 法从银杏叶中提取的银杏黄酮，从鱼的内脏，骨头等提取的多烯不饱和脂肪酸（ DHA ，EPA ） ，从沙棘籽提取的沙棘油，从蛋黄中提取的卵磷脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效。西德 Saarland 大学的 Stahl

23、 教授对许多药用植物采用SCFE 法对其有效成分 (如各种生物碱，芳香性及油性组分) 实现了满意的分离。在抗生素药品生产中， 传统方法常使用丙酮、 甲醇等有机溶剂， 但要将溶剂完全除去，又不使药物变质非常困难，若采用SCFE 法则完全可以符合要求。美国ADL公司从 7 种植物中萃取出了治疗癌症的有效成分，使其真正应用于临床。许多学者认为摄取鱼油和-3 脂肪酸有益于健康。这些脂类物质也可以从浮游植物中获得。这种途径获得的脂类物质不含胆固醇，J.K.Polak等人从藻类中萃取脂类物质获得成功，而且叶绿素不会被超临界CO2萃出，因而省去了传统溶剂萃取的漂白过程。另外，用 SCFE 法从银杏叶中提取的

24、银杏黄酮，从鱼的内脏，骨头等提取的多烯不饱和脂肪酸（ DHA ，EPA ），从沙棘籽提取的沙棘油，从蛋黄中提取的卵磷脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效。 日本学者宫地洋等从药用植物蛇床子、桑白皮、甘草根、紫草、红花、月见草中提取了有效成分。目前，国内外采用CO2 超临界萃取技术可利用的资源有：紫杉、黄芪、人参叶、大麻、香獐、青蒿草、银杏叶、川贝草、桉叶、玫瑰花、樟树叶、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、小麦、玉米、米糠、鱼、烟草、茶叶、煤、废油等。在超临界流体技术中，超临界流体萃取技术(Supercritical flu

25、id extraction，SFE)与天然药物现代化关系密切。SFE对非极性和中等极性成分的萃取，可克服传统的萃取方法中因回收溶剂而致样品损失和对环境的污染，尤其适用于对温热不稳定的挥发性化合物提取； 对于极性偏大的化合物， 可采用加入极性的夹带剂如乙醇、甲醉等，改变其萃取范围提高抽提率。天然香精香料的提取用 SCFE 法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分，而且还可以提高产品纯度，能保持其天然香味， 如从桂花、 茉莉花、菊花、梅花、米兰花、玫瑰花中提取花香精，从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，从芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油， 不仅可以用作调味香料， 而且一些精油还具

26、有较高的药用价值。啤酒花是啤酒酿造中不可缺少的添加物，具有独特的香气、 清爽度和苦味。 传统方法生产的啤酒花浸膏不含或仅含少量的香精油，破坏了啤酒的风味， 而且残存的有机溶剂对人体有害。超临界萃取技术为酒花浸膏的生产开辟了广阔的前景。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）绪论4 在化工方面的应用在美国超临界技术还用来制备液体燃料。以甲苯为萃取剂，在Pc=100atm, Tc=400-440

27、条件下进行萃取， 在 SCF溶剂分子的扩散作用下， 促进煤有机质发生深度的热分解， 能使三分之一的有机质转化为液体产物。此外，从煤炭中还可以萃取硫等化工产品。美国最近研制成功用超临界二氧化碳既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺。俄罗斯、德国还把SCFE 法用于油料脱沥青技术。此外，朝临界萃取还可以用于提取茶叶中的茶多酚；提取银杏黄酮、内酯；提取桂花精和米糖油。在农业上的应用超临界萃取以其高效、 快速、后处理简单的特点， 近年来已经得到了广泛的应用，它既有从原料中提取和纯化少量有效成分的功能，又能从粗制品中除去少量杂质， 达到深度纯化的效果。由于农业样品涉及范围广，组成复杂，而且有些组分含量很

28、低，从 104 到 109 级，甚至 1012 级，特别是农产品中微量农药残留物和土壤中有害化学污染物的提取， 常常需要采用多种有机溶剂和多个萃取步骤，才能得到大体积的含有目标分析物的稀泽液， 蒸发浓缩后方可进行定性定量分析， 这一过程不仅费时，还消耗了大量的有机溶剂， 有时还常常要使用含有卤素的有机溶剂，即对人体健康产生一定的影响， 还会造成环境污染。 更重要的是由于提取步骤繁多，使样品的回收率降低，重现性较差，影响了测定结果的准确性。自从超临界萃取仪商品化以来，超临界萃取技术在美国和其他一些西方国家得到了快速的推广，越来越多成熟的超临界萃取样品前处理方法被国家标准局采用作为标准方法。附表列

29、出了超临界流体在农业上具有代表性的应用实例。 这些实验大多数在1 小时内完成， 溶剂的用量仅几毫升； 而要达到同样的提取效果， 溶剂萃取至少需要8 小时至几天的时间、 溶剂用量达几百毫升。在我国超临界萃取技术才刚刚进入实用阶段，商检部门和公安部门已成功将超临界萃取技术运用于粮食中农药残留的提取和毒品中有效成分的提取，我们也对辣椒粉和银杏叶的提取进行了尝试， 取得了较好的效果。 虽然目前超临界萃取仪价格比较昂贵，但从长远考虑还是值得的。表 0-1 超临界流体在农业上的应用实例提取成分基 质超临界萃取条件有机氯农药、有机磷农药水 果 、蔬菜0.85g/mL(320arm) 、60、1.6mL/mi

30、n、 ODS 填料吸附、用乙晴洗脱毒死蝉农药牧草100400atm、用甲醇改进的 CO2提取 30min 香兰素香兰豆0.25g/mL(108bar) 、 80、 2mL/min、 二羟基类吸附剂、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）绪论5 1.5mL二氯甲烷洗脱多环芳烃土壤0.79g/mL(450atm) 、100、3mL/min、C18/2mL 二氯甲烷洗脱石油中总烃类化合物土壤45

31、0atm、120、3mL/min、均匀球珠 /C18(50/50 ，重量比) 、3mL二氯甲烷淋洗总脂肪蛇食品20% 乙醇改性的 CO2 、475atm、150、4-6mL/min、直接收入样品管中多氯联苯河泥10% 甲醇改进的CO2 、450atm、85、2mL/min、玻璃珠吸附、用 2mL甲醇淋洗氨基甲酸酯农药水 果 、蔬菜10% 甲醇改性的 CO2 、475atm、150、3.5mL/min、甲醇淋洗除莠剂土壤10% 甲醇改性的CO2 、450atm、160、2mL/min、5mL甲醇水淋洗超临界 CO2 流体萃取技术的发展超临界流体萃取 (Superitical Fluid Extr

32、action，SFE)是一项发展很快、应用很广的实用性新技术。它具有低温下提取，没有溶剂残留和可以选择性分离等特点，正为越来越多的科技工作者所重视，有关研究方兴未艾， 新的研究成果不断问世。 超临界流体 (Superitical Fluid，以下简称SCF)具有溶解其它物质的现象，早在100年前已为 Hannay和 Hogarth 所发现，但由于技术、装备等原因，时至20 世纪 30 年代，Pilat和 Gadlewicz 才有了用液化气体提取“大分子化合物”的设想。1954 年Zosol 用实验的方法证实了二氧化碳超临界萃取( 以下简称 SFE-CO2) 可以萃取油料中的油脂。直到 70 年

33、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， SFE这一新的提取、分离技术的研究及应用，才有了可喜的实质性进展。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、轻工及环保领域成果累累。1988 年在法国尼斯召开了第一届“国际超临界流体技术会议”以后，国际上每3 年召开一次会议，进行国际间的学术交流。1996 年 10 月，我国召开了“第一届全国超临界流体技术学术及应用研讨会”。作为新一代化工分离技术，SFE-CO2 萃取已列入“八五”国家科技攻关计划。近期国家

34、计委和科技部联合公布的生物及医药产业近期产业化的重点(2001 年) 中将 SFE-CO2 列入优先发展的 18 个领域之一的“中药制剂先进生产工艺及成套设备”中近期产业化重点。2002年 9 月 18 日科技部、国家经贸委和国家中医药管理局联合发布的我国医药科学技名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）1. 超临界 CO2流体萃取的基本原理6 术政策 (20022010 年)中亦将 SF

35、E-CO2 作为有利于中药生产工艺提升、技术更新、产品升级的重点推广应用的新技术之一。加强对 SFE技术的研究和推广， 对我国丰富的天然资源进行深度加工，生产高档次、高附加值的新产品，既有利于医药、化工、食品等行业的进步，也有利于种植等行业的发展。通过10 多年的努力，我国在SFE技术的应用方面已取得了令人瞩目的成绩：内蒙古科迪高技术产业有限公司1996 年建成了当时国内最大的SFE-CO2萃取工业化装置 (萃取釜为 500L)，并对沙棘油、薏苡仁油、红花油、肉桂油、厚朴酚、青蒿素、丹参酮等有效成分进行了提取、分离，均取得了较好的效果。 广州医药工业研究所运用SFE技术对中药复方制剂进行深入研

36、究后发现：运用 SFE-CO2 技术按处方比例混合中药粉碎后提取的有效成分与单味中药提取效果无明显差异， 而复方提取时有效部位 (浸膏) 收率均高于单味提取； 中药复方在 SFE-CO2 与传统提取方法比较中显示，SFE-CO2 提取的有效部位收率虽较传统提取的有效部位收率低34% ，但其中的有效成份却高出近40 倍。这一研究说明，SFE技术的应用将给中药复方提取方法带来革命性的改进，并使中药复方的量化研究向前迈进了一大步。据介绍，应用SFE技术对中药复方提取，其提取物具有杂质少、外观色泽好、 有效成份高度浓缩、 批间重现性好等特点， 是改进中药复方生产工艺的有效途径。目前 SFE技术已被美国

37、环保局确定为替代溶剂萃取的标准方法。因此运用SFE-CO2 技术是实现中药产业现代化，与国际接轨的重要新技术。如上所述， SFE是一种发展很快、应用面很广的实用新技术，从20 世纪 50 年代起已开始进入实验阶段， 70 年代以来在食品工业中应用日趋广泛，80 年代更广泛应用于香料的提取， 90 年代后则开始运用于从药用植物中提取药用有效成分的提取等。1. 超临界 CO2流体萃取的基本原理任何一种物质都存在三种相态- 气相、液相、固相。三相成平衡态共存的点叫三相点。液、 气两相成平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。1.1 超临

38、界流体超临界流体（ Supercritical Fluid,简称 SF 或 SCF ）是指超临界温度（ Tc）和临界压力（ Pc）状态下的高密度流体。超临界流体具有气体和液体的双重特性，其粘度与气体相似， 但扩散系数比液体大得多， 其密度和液体相近。 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（Supercritical Fluid Extraction,简称SFE ） 。超临界流体 (Supercritical fluid，SCF) 技术中的 SCF是指温度和压力均高于临界点的流体 , 如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态

39、。处于超临界状态时，气液两相性质非常相近，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）1. 超临界 CO2流体萃取的基本原理7 以至无法分别，所以称之为SCF 。超临界流体技术自上世纪70 年代开始崭露头角，随后便以其环保、高效等显著优势轻松超越传统技术， 迅速渗透到萃取分离、 石油化工、化学反应工程、 材料科学、生物技术、环境工程等诸多领域，并成为这些领域发展的主导之一。今后，随着人们对于超

40、临界流体技术认识和研究的进一步深化，这一新兴技术必将得以更广泛和深入的应用，而超临界流体技术本身也必将对人类科技进步和经济发展产生深远的影响。超临界流体是温度和压力同时高于临界值的流体，亦即压缩到具有接近液体密度的气体。超临界流体的密度和溶剂化能力接近液体，粘度和扩散系数接近气体， 在临界点附近流体的物理化学性质随温度和压力的变化极其敏感，在不改变化学组成的条件下，即可通过压力调节流体的性质。当前，超临界流体技术已在许多领域得以广泛应用。1.1.1 纯溶剂的行为要充分利用超临界流体的独特性质， 必须了解纯溶剂及其和溶质的混合物在超临界条件下的相平衡行为。 现用超临界纯溶剂的相图来表明临界点及其

41、相平衡行为。下图为以纯二氧化碳的密度为第三参数的压力温度图。图中分别标注了气、 液、固相区和临界点及相应的超临界流体区。其中沸腾线( 饱和蒸气曲线) 从三重点 (T216.58K，P0.5185MPa)到临界点 (Tc304.06K，p7.38MPa)为止。熔融线 ( 熔解压力曲线 )从三重点出发随压力升高而陡直上升。升华压力曲线对超临界萃取无多大意义。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论

42、文）1. 超临界 CO2流体萃取的基本原理8 1.1.2 临界点临界点的概念可用临界温度和临界压力来解释，这两个名词可定性地定义如下：临界温度是指高于此温度时， 无论加压多大也不能使气体液化；临界压力是指在临界温度下， 液化气体所需的压力。 超临界萃取的实际操作范围以及通过调节压力或温度，改变溶剂密度从而改变溶剂萃取能力的操作条件，可以用二氧化碳的对比压力对比密度图加以说明。所谓对比压力、对比密度或对比温度，是指操作压力、密度或温度与临界压力、 密度或温度的比值。 超临界萃取和超临界色谱的实际操作区域为图中虚线以上部分，大致在对比压力pr1，对比温度 T r 为 0.9 与 1.2 之间。在这

43、一区域里，超临界流体具有极大的可压缩性。溶剂密度可从气体般的密度( 0.1) 递增至液体般的密度 (2.0) 。由图可见， 在 1.0 Tr1.2 时，等温线在一定密度范围内(r=0.5 1.5) 趋于平坦，即在此区域内微小的压力变化将大大改变超临界流体的密度， 如温度为 37 ( Tr310/304.2 1.019) 时， 压力由 7.2MPa ( pr=7.2/7.38=0.976)上升到 10.3MPa ， 密度可增加 2.8 倍。另一方面，在压力一定的情况下 ( 如 1pr2)，提高温度可以大大降低溶剂的密度。 如压力在 10.3MPa时， 温度从 37 提高到 92 图1-1 CO2

44、 的pT图精馏操作液相萃取和吸收超临界萃取和色谱吸附分离名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）1. 超临界 CO2流体萃取的基本原理9 也可以使密度作相应的降低，从而降低其萃取能力， 使之与萃取物分离。 流体在临界区附近，压力和温度的微小变化， 会引起流体的密度大幅度变化，而非挥发性溶质在超临界流体中的溶解度大致上和流体的密度成正比。超临界流体萃取正是利用了这个特性，形成了新的分离工艺。

45、它是经典萃取工艺的延伸和扩展。1.1.3 超临界流体的性质超临界流体是处在高于其临界点的温度和压力条件下的流体( 气体或液体 )， 用它作为萃取剂时， 常表现出十几倍、 甚至几十倍于通常条件下流体的萃取能力和良好的选择性。除此以外，它所具有的某些传递性质，也使之成为理想的萃取溶剂。1.1.4 超临界流体条件下的溶解度现已确认， 溶质在一种溶剂中的溶解度取决于二种分子之间的作用力，这种溶剂溶质之间的相互作用随着分子的靠近而强烈地增加，也就是随着流体相密度的增加而强烈的增加。 因此，可以预料超临界流体在高的或类液体密度状态下是“好”的溶剂，而在低的或类气体密度状态下是“不好”的溶剂。物质在超临界流

46、体中的溶解度C与超临界流体的密度 之间的关系可以用下式表示：lnC=mln+bm和 b 值与萃取剂及溶质的化学性质有关。选用的超临界流体与被萃取物质的化学性质越相似，溶解能力就越大。在保持温度恒定的条件下， 通过调节压力来控制超临界流体的萃取能力或保持密度不变改变温度来提离其萃取能力。溶剂和溶质之间的分离( 即萃取物的释放 )可通过超临界相的等温减压膨胀来实现，因为在低压下溶质的溶解度是非常小的。超临界流体对溶解溶质有一个特殊的容量，这一事实导致了新的分离技术超临界流体萃取(SCFE)的产生。1.1.5 超临界流体的传递性质超临界流体显示出在传递性质上的独特性，产生了异常的质量传递性能。 如前

47、所述，溶剂的密度对于溶解度而言是一个非常重要的性质。但是，作为传递性质，必须对热和质量传递提供推动力。 黏度、热传导性和质量扩散度等都对超临界流体特性有很大的影响。超临界流体的密度近似于液相的密度，溶解能力也基本上相同。此外，传递性质值的范图， 在气体和液体之间， 例如在超临界流体中的扩散系数比在液相中要高出 l0 100倍，但是黏度就比其小10l00 倍，这就是说超临界流体是一种低黏度、 高扩散系数易流动的相， 所以能又快又深地渗透到包含有被萃取物质的固相中去，使扩散传递更加容易并能减少泵送所需的能量。同时，超临界流体能溶于液相， 从而降低了与之相平衡的液相黏度和表面张力，并且提高了平衡液相

48、的扩散系数，有利于传质。超临界流体的热传导性大大超过了浓缩气体的热传导性，与液体基本上在同一数量级。另外，在 TTc10K时超临界流体的热传导性对压力的变化很敏感( 或者说是密度的变化 )。这种性能在对流热传递过程中和热与质量传递过程同时发生的情况名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 46 页 - - - - - - - - - 东华理工学院毕业设计（论文）1. 超临界 CO2流体萃取的基本原理10 下有一个比较强的效应。1.1.6 超临界流体的选定超临界流体

49、萃取过程能否有效地分离产物或除去杂质，关键是超临界流体萃取中使用的溶剂必须具有良好的选择性。提高溶剂选择性的基本原则是：操作温度应和超临界流体的临界温度相接近； 超临界流体的化学性质应和待分离溶质的化学性质相接近。若两条原则基本符合，效果就较理想，若符合程度降低，效果就会递减。超临界流体的选定是超临界流体萃取的主要关键。应按照分离对象与目的不同，选定超临界流体萃取中使用的溶剂，它可以分为非极性和极性溶剂两类。下表给出了一些常用超临界萃取剂的临界温度和临界压力，表中最后几种萃取剂为极性剂， 由于极性和氢健的缘故，它们具有较高的临界温度和临界压力。表 1-2 作为萃取溶剂的超临界流体必须具备以下条

50、件：（1）萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性（2）临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温度附近（3）操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度（4）临界压力不能太高，可节约压缩动力费（5）选择性要好，容易得到高纯度制品（6）溶解度要高，可以减少溶剂的循环量流体名称分子式临界压力 (bar) 临界温度 ( ) 临界密度 (g/cm3) 二氧化碳CO2 72.9 31.2 0.433 水H2O 217.6 374.2 0.332 氨NH3 112.5 132.4 0.235 乙烷C2H6 48.1 32.2 0.203 乙烯C2H4 49.7 9.2 0.218 氧化二氮N2O 7