超临界流体科学与技术.pptx

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1、目目 录录概述概述1SCF在材料科学中的应用在材料科学中的应用2SCF 萃取分离技术萃取分离技术3SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用4SCF 在喷涂工业中的应用在喷涂工业中的应用5SCF 清洗清洗6第1页/共31页1.概述概述1.11.1概念：概念：超临界流体（Supercritical Fluids,SCF）一般指用于溶解物质的超临界状态溶剂，该溶剂处于气态和液态平衡时，流体密度和饱和蒸汽密度相同，即处在其临界温度和临界压力以上的状态。SCF 接近于液体的密度 良好的溶解性 SCF 接近于气体的粘度 扩散系数较大 良好的传质性能超临界二氧化碳（SC-CO2）：Pc=7.38MPa

2、Tc=31.19/304.34K 超临界水：Pc=22.1MPa Tc=374.15/647.3K 相比较而言，SC-CO2更容易获得。第2页/共31页1.概述概述1.21.2超临界超临界COCO2 2(SC-CO(SC-CO2 2)：纯纯COCO2 2密度与压力和温度的关系密度与压力和温度的关系纯纯COCO2 2相图相图第3页/共31页1.2 SCF1.2 SCF应用范围应用范围1.概述概述SCF应用技术Separation ProcessesSurface TreatmentRecyclingChemicalReactionsExtractionFractionation Crystall

3、izationMicronizationDry cleaningColouringDecolourisingPolymersSolvent recoveryDe-/hydrogenationPolymerizationPartial oxidationDe-/hydration第4页/共31页2.SCF在材料科学中的应用在材料科学中的应用研究主要涉及超细微粒材料、微孔材料、复合材料的制备和性能研究。2.1 SCF在超细微粒制备中的应用（SCF结晶技术）常用方法：RESS、SAS、GAS、SCFD、PCA2.1.1 快速膨胀法（RESS，Rapid Expansion of Supercriti

4、cal Solution）基本原理：基本原理：将溶质溶解于一定温度和压力的SCF中，然后使超临界溶液在非常短的时间(10-810-5s)内通过一个特制的喷嘴(2560m)进行减压膨胀，此时溶液的过饱和度可达105108，从而使溶质在较短的时间内生成大量微小的、粒度分布均匀超细微粒。微粒的尺寸微粒的尺寸可用温度、压力、喷嘴口径大小、流体喷出速度等过程参数调节。适用范围：适用范围：RESS主要用于在超临界流体中有一定溶解度的体系。第5页/共31页2.SCF在材料科学中的应用在材料科学中的应用RESS流程图第6页/共31页2.SCF在材料科学中的应用在材料科学中的应用2.1.2 SCF抗溶剂法(SA

5、S，Supercritical Anti-Solvent)基本原理：基本原理：某些高压气体或超临界流体在有机溶剂中的溶解度很大，并且使有机溶剂的体积膨胀，内聚能密度降低，从而降低了有机溶剂对溶质的溶解能力，在短时间内形成较大的过饱和度使溶质结晶析出，形成纯度高粒径分布均匀的超微颗粒。SAS过程过程可分为间歇操作和连续操作两种方式。间歇操作：间歇操作：在非平衡条件下进行，分为两种情况；连续操作：连续操作：恒压条件下进行，在结晶釜中加入抗溶剂打到预设的温度和压力，同时将溶液和抗溶剂（gas/SCF）以逆流或顺流的方式，按一定的流量比例加到沉淀釜中；SEDS（超临界流体快速分散法）喷嘴结构复杂便于控

6、制颗粒大小和粒径分布 第7页/共31页2.SCF在材料科学中的应用在材料科学中的应用SAS流程图第8页/共31页2.SCF在材料科学中的应用在材料科学中的应用仅通过改变体系的压力仅通过改变体系的压力 而实现，无需添加其他而实现，无需添加其他 物质，避免了其他杂质物质，避免了其他杂质 对产品的污染。对产品的污染。不涉及大量流体溶剂的使不涉及大量流体溶剂的使 用，减少了废水排放和回用，减少了废水排放和回 收溶剂时的能耗收溶剂时的能耗。所使用的超临界流体一般所使用的超临界流体一般 只需再压缩即可循环使用只需再压缩即可循环使用 ，大大简化了工艺流程，大大简化了工艺流程 。可获得粒度分布狭窄的晶可获得粒

7、度分布狭窄的晶 体并且易于调整。体并且易于调整。SCF超微制备超微制备RESSSAS能够制备不溶于能够制备不溶于SCFSCF的物质的物质的超微颗粒。的超微颗粒。选择合适的选择合适的SCFSCF和操作条件，和操作条件，溶液中的溶剂会被溶液中的溶剂会被SCFSCF全部全部溶解，析出的溶质可以是无溶解，析出的溶质可以是无污染的干燥颗粒。污染的干燥颗粒。通过控制超临界流体与溶通过控制超临界流体与溶液的混合速率，就可控制溶液的混合速率，就可控制溶质的析出速率，从而控制析质的析出速率，从而控制析出颗粒的大小与形状。出颗粒的大小与形状。2.3 RESS与SAS对比第9页/共31页2.SCF在材料科学中的应用

8、在材料科学中的应用2.3 超微制备的关键部件：关键部件：超微制备喷嘴是超微制备设备研究的热点和难点问题，目前，尽管各种喷嘴在实验中甚至中试中取得了理想的效果，但是都存在一定的局限性。介绍：本课题组设计轴向扩展的组合喷嘴轴向扩展的组合喷嘴。按照不同的实验要求，可选用基本构件组装成各种喷嘴。二通道外混喷嘴二通道内混喷嘴三通道内外混合喷嘴轴向扩展型单通道喷口第10页/共31页3.SCF 萃取分离技术萃取分离技术3.1 SCF 萃取分离基本原理基本原理：通过调节操作温度和压力来改变流体的密度，从而改变流体的萃取能力，实现不同物质的萃取分离，即利用溶质在不同条件下在SCF中溶解度的不同进行的溶解分离。3

9、.3 SCF萃取分离方法方法：静态法、半连续法和连续法。3.4 主要影响因素：3.3.1被分离物质在SCF中的溶解度：萃取介质、萃取温度和压力。3.3.2动力学因素：流体流速和分离器结构等。3.2 SCF 萃取分离应用范围：食品、香料和药物有效成分的提取；石油、煤炭的加工过程；水中有机物的提纯；织物洗涤、精密器件的清洗；环境污染物的去除等。第11页/共31页3.SCF 萃取分离技术萃取分离技术3.5 SCF 萃取分离主要特点：主要特点：SCF萃取实现萃取和分离过程一体化，使用溶剂较少，方法简单，且节省能量。SCF萃取能力与流体的密度有关，通过改变流体的温度和压力，可以改变流体对溶质的溶解度，故

10、操作参数易于调节。利用分级连续流动，可同时有选择地实现多种物质的分离。SCF表面张力为零，具有很高的扩散系数，传质速率快，萃取效率高。SCF易于循环使用，且不会造成环境污染或环境污染小。3.6 SCF 萃取分离工艺：等压变温工艺：压缩机能耗相对较小，但对热敏性物质有影响。等温变压工艺：无温度变化，操作简单，但投资大，能耗高。恒温恒压工艺：节能效果最佳，但需特殊吸附剂。第12页/共31页3.SCF 萃取分离技术萃取分离技术等温变压工艺流程等压变温工艺流程第13页/共31页3.SCF 萃取分离技术萃取分离技术3.7 SCF 萃取分离过程影响因素：过程影响因素：萃取釜萃取釜 萃取釜体积很大程度上决定

11、萃取的规模能力，一般采用快开装置，目的是为了提高工作效率。SCFSCF流量流量 过大的SCF流量，会造成细粉的夹带、堵塞管道。萃取釜高径比萃取釜高径比 SCF流速一定，增大萃取釜内径，生产能力提高，但同时萃取釜制造成本增大。一般实验室规模为230。COCO2 2加压装置加压装置 压缩机：不需对CO2冷凝液化，装置简单，但效率低，能耗高，噪音大。高压泵：需要对CO2冷凝液化，装置复杂，效率高，能耗低，噪音小。实际过程中：使用压缩机对低压CO2进行加压，加压到一定压力后，使用高压泵升至所需压力。第14页/共31页溶剂萃取溶剂萃取超临界萃取超临界萃取溶剂残留不可避免完全无溶剂残留，纯净存在重金属无重

12、金属溶剂的溶解能力为定值溶解能力随温度和压力变化可能使用高温，热敏物质分解通常在较低温度下，不分解存在无机盐被萃取的问题无无机盐残留溶剂选择性差选择性好，避免形成聚合物需额外的操作单元来脱除溶解在线分离，有效物质收率高3.SCF 萃取分离技术萃取分离技术第15页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用4.1 SC-CO2染色基本原理：基本原理：利用SC-CO2具有高溶解性和高渗透性，使纤维高聚物分子膨胀，产生纤维空隙，将染料溶解并携带到织物中完成染色，CO2经过逐级降压或快速降压与染料分离，经冷却、压缩后循环使用。4.2 SC-CO2染色工艺4.2.1 静态工艺：染料和待染物

13、被封闭在高压染色釜中，再通入SC-CO2，使之达到染色工艺所需的超临界条件进行染色，并通过搅拌器使染液在染色釜中流动。4.2.2动态工艺：染液不断在高压染色釜与染料釜之间往复循环，当SCF经过染料釜时，染料不断溶解到流体中，带有染料的SCF通过染色釜时，染料就上染到织物或纱线上。第16页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用静态工艺动态工艺第17页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用4.3 SC-CO2染色的优点：水染色工艺SC-CO2染色工艺第18页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用4.4 SC-CO2的染色循环：SC-CO2

14、压力温度相图中的染色循环第19页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用4.5 SC-CO2染色工艺步骤SC-CO2染色PET工艺步骤和参数第20页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用SC-COSC-CO2 2染色染色染色染色染色染色染色染色时间时间时间时间压力压力压力压力SCFSCF流速流速流速流速温度温度温度温度主要控制染料 SCF中的溶解 度和在其中的扩散速度主要是控制SCF流体的密度和染料在其中的溶解度染色时间大大缩短，一般只需要3090分钟。主要影响染料在被染物中的传质速度以及SCF流体的溶解能力4.6 SC-CO2染色影响因素温度80160压

15、力2030Mpa染色时间3090min第21页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用4.7 SC-CO2染色主要设备染色釜染色釜第22页/共31页4.SCF 在印染工业中的应用在印染工业中的应用4.5 SC-CO2染色存在的问题：存在的问题：如何将实验室工艺条件放大到工业化设备中；如何实现装置的大型化、连续化、装卸快捷化；超临界流体连续染纱流程与装置研究如何实现天然纤维的超临界流体染色；如何实现染料品种的多样化；如何建立染色动力学、热力学模型；对不不同染料染整过程中的设备清洗问题；第23页/共31页5.SCF 在喷涂工业中的应用在喷涂工业中的应用5.1 SCF 喷涂的基本原

16、理：基本原理：以SC-CO2代替传统的易挥发性有机溶剂(VOC)，利用SC-CO在许多涂料中的溶解度较大，容易与成膜物质及活性溶剂形成均相的涂料溶液，然后经过特殊的喷嘴的小孔喷出。5.2 减压雾化：减压雾化：SC-CO2喷涂过程中，当喷涂液离开喷嘴后，压力瞬间消失，溶解在喷涂液中的超临界CO2处于过饱和状态，CO2的急剧解吸产生一种强大的膨胀力，从而导致剧烈的雾化。在喷嘴出口产生了较宽的喷涂扇面,同时也就产生了液滴具有高均匀性、匀称的抛物线状的喷涂扇面。液滴平均粒径2050m，根据压力与流量阀调节。有利于隔离空气中的湿气、氧气和灰尘，减少喷涂过程中对潮气的吸收，从而降低了喷涂操作对环境湿度的要

17、求。第24页/共31页5.SCF 在喷涂工业中的应用在喷涂工业中的应用5.3 SC-CO2 喷涂工艺的影响因素：影响因素：SC-CO2 喷涂喷涂温度温度压力压力CO2流量流量喷嘴结构喷嘴结构最适宜工艺条件：温度4070，压力8.511.0Mpa 在试验范围内，温度越高，压力越大，CO2含量越大，得到的雾化粒子越小，喷雾锥角越大。喷嘴孔径越小，长径比越小，越可能得到小的雾化粒子第25页/共31页5.SCF 在喷涂工业中的应用在喷涂工业中的应用5.4 SC-CO2喷涂存在的问题：存在的问题：虽然SC-CO2喷涂在经济效益、涂层性能以及环境与安全方面和传统压缩空气喷涂相比都有许多令人满意的优点，但与

18、许多成熟的技术相比较，还存在一些缺点需要克服。设备：设备：改进型无气喷涂系统（喷枪、气料混合装置、气瓶）喷枪：喷枪：流量阀和压力阀控制流量、压力、喷射角度和速度；控温性能好，使用过程中不会降温；关闭射流不引起阀和喷嘴的颤动；喷嘴中压力下降不要过大第26页/共31页6.SCF 清洗6.1 SCF清洗基本原理：基本原理：SCF具有许多特性,如低表面张力、低粘度、高密度、高扩散性等,尤其可操控的溶剂特性可操控的溶剂特性，利用SCF代替传统清洗工艺中的有机溶剂及水性溶剂进行的完全无水完全无水的清洗过程。具体而言：一般情况下,超临界CO2的溶解度随压力的增大而增大,将压力和温度适当变化,会引起溶解度在1

19、02103倍的范围内变化。超临界CO2清洗技术就是利用了这个特性,在清洗时增加压力,可以使污染物最大限度溶于超临界CO2中;清洗结束后,通过减压或降温,可以使CO2与污物分离。6.2 SCF清洗工艺SC-CO2 清洗工艺流程分间歇式间歇式和半连续式半连续式两种。该过程中的主体设备主体设备清洗罐是一个高压设备,其操作压力一般为10 25MPa,其操作温度一般在40 80 。第27页/共31页6.SCF 清洗SCF 清洗间歇式工艺第28页/共31页6.SCF 清洗6.3 SCF清洗的应用电子电器：印刷线路板、硅晶片、微电子器件等精密机械：精密轴承、微细传动组件、燃油喷嘴等国防工业：仪表轴承、航空电子、航空组建等光学工业：激光镜片、隐形眼镜、光纤组件等医疗器械：心律调整器、血液透析管、外科用具等 （杀菌和清洗）食品行业：食用米（去除农药，杀死细菌和虫卵）6.4 SCF清洗特点：超临界CO2 清洗在技术、经济和环保等方面都具有优越性；与其他溶剂清洗相比,由于需要高压系统,故其设备投资费用较高,但由于能量及溶剂消耗显著下降,尤其是简化了溶剂的分离和后处理工序,使操作费用明显下降。第29页/共31页第30页/共31页谢谢您的观看！第31页/共31页