超临界流体课程设计论文

课程设计论文论文题目：超临界流体的特性及其应用

课程名称：超临界萃取的应用

专业名称：化学工程与工艺

学号： 20063333

姓名：陈娟

指导教师：励荣、石刚

成绩：

日期：2010.11.10

超临界流体的特性及其应用

摘要:本文主要介绍了超临界流体的理化性质,并对超临界流体在化工、生物质及环保等领域的应用进行了综述,同时对超临界技术的发展前景进行了展望。

关键词：超临界流体;理化性质;应用;前景展望

超临界流体(SCF)是介于气体和液体之间的一种特殊聚集态。19世纪60年代,英国科学家Thomas Andrews首次发现超临界现象;1879年,Hannay和Hogarth发表了第一篇有关超临界流体的论文“超临界流体能够溶解固体物质”,为超临界流体萃取技术的应用提供了依据。随着对超临界流体性质认识的深入,超临界干燥、化学反应等新技术不断涌现并得到快速发展,所涉及的应用范围也迅速扩大。目前,在ISI Web of Knowledge数据库中有关超临界的论文已高达17000篇。我国在这一领域的研究工作起步较晚。1985年北京化工学院从瑞士进口了第一台超临界流体萃取装置,进行了不少研究工作。之后相继成立了相关的学术组织,定期召开国际性或全国性超临界流体会议,并且有许多论文、专著等学术性文章发表。目前我国在中国知网数据库中发表的关于超临界的文章数已超过14000篇。本文对常温、常压

下为液态的超临界流体的理化性质及其应用进行了综述,并对此技术的发展前景进行了展望,以期能为我国在超临界这方面的研究工作提供参考[1]。

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流体，兼有气体液体的双重性质和优点：溶解性强，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。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。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）。鉴于这些优点，超临界流体在化工、生物质及环保等领域的都有广泛的应用。本文就超临界流体的理化性质及应用两方面展开论述，并对其研究前景进行了展望。

1.超临界流体的理化性质

1.1超临界流体的物理性质

1.1.1密度

在常温常压下,液体的密度为0.6～1.6g/cm3,超临界流体密度为0.2～0.5g/ cm3。可见超临界流体具有与液体相近的密度。但两类流体密度对温度及压力依赖性不同。这是由于超临界流体具有可压缩性,故与常态液体相比,其密度与温度、压力相关性较大。如:400°C时,压强在0.22kPa～2.5kPa范围内变化,水的密度可从0.1g/mL降至

0.84g/mL。

1.1.2粘度

在标准状态下,液体的粘度为0.2～0.3Pa·s,气体的粘度为0.01～0.03Pa·s, SCF的粘度为0.01～0.03Pa·s,可见SCF粘度与气体接近。

温度、密度是影响粘度的主要因素。SCF与液体粘度受温度、密度影响的变化规律不同。通常液体的粘度随温度升高而减小;超临界流体在高密度条件下,粘度随温度升高而减小;在低密度条件下结果相反[2]。

1.1.3扩散系数

超临界流体扩散系数处于气体与液体之间,是常温下液体的10～100倍。扩散系数与压力和温度相关。但常态流体与SCF的扩散系数变化规律及表达式有所不同。一般常态流体的扩散系数随压力下降而增大,与粘度成反比。SCF的扩散系数随压力增大而增大。当密度很高时得知微小的压力变化可导致扩散系数较大改变,且扩散系数与粘度成反比。

1.1.4表面张力

一般液体都具有表面张力,但超临界状态下各流体表面张力近似为0。这是由于非超临界态下,随着体系接近临界点,流体两相界面逐渐加厚,并相互扩散;达到临界点时,两流体会失去各自特征而成为均相;至超临界态时,随着界面扩散程度越大,界面张力逐渐减小至完全消失。

1.1.5介电常数

超临界流体的介电常数与常态流体相比存在差异。如甲醇在标准状态下介电常数为32.6,而超临界态(如250℃,20MPa),其介电常数降为7.2。介电常数变化与密度及温度相关 ,随密度的增大而增大,随温度的升高而减小。并且受氢键数影响。

1.1.6溶解性能

流体的溶解性能与其极性、介电常数相关,故超临界流体与常态液体相比溶解性能存在明显差异。如水在超临界与常态下的溶解性能差异很大。超临界甲醇与其常态时相比,氢键数由1.93降至0.7以下,介电常数也降低,因此其溶解性能发生以下变化:常温常压下,甲醇与油脂互不相溶;超临界状态下,甲醇和油脂可以完全互溶。

1.2超临界流体的化学性质

1.2.1氢键

流体在超临界态与常态所含氢键的数量及稳定性均发生改变。温度及压力是氢键稳定性及数量改变的影响因素,但影响程度不同。如乙醇氢键稳定性随着温度的升高不断减小,相比之下压力的影响较小。并通过MD和MC模拟得出:随温度的升高,水和乙醇中的氢键仍然存在,但数量都减少。其中乙醇氢键变化对温度依赖性较强,水的氢键变化与压力相关性较大。

1.2.2离子积

离子积受温度与压力影响,导致流体于超临界与常态相比离子积存在差异。在超临界区,随温度和压力升高,离子积增大并比常态时高

出许多。如水在标准状态下的离子积为K θW = 10 - 14,在超临界态,随温度和压力升高密度变大,导致离子积增大,并比常态时离子积高出几个数量级。据文献得知甲醇在较高温度和压力下,离子积增大,故甲醇单分子更易离解成 CH3O-和 H+,甲醇双聚体更易离解成CH3OH+2 和 CH3O-。

1.2.3酯化反应

酯化反应也称醇解,是用另一种醇置换甘油酯中的醇。与醇溶液相比,超临界醇发生酯化反应速率极高。Sasaki 研究得出:在至少油脂和醇两者之一是超临界状态的条件下,加入少量碱性催化剂,在一定温度时间内反应。与普通酯交换相比,超临界酯交换具有产率高,反应时间短等特点。这是由于超临界醇在非极性油脂中的溶解能力增强,且其表面张力近似为 0 ,可形成均相反应。另外超临界醇离子积增大,可解离生成更多的醇氧离子,且醇离子基浓度大小通常与酯化反应程度成正相关,故酯化反应更易发生。

2.超临界流体的应用

鉴于超临界流体的这些理化性质，其在药物提取，化工中都得到了广泛的应用，并显示了较大的优势，下面分别介绍几种超临界流体的应用：

2.1超临界流体萃取

超临界流体萃取分离过程是利用其溶解能力与密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸