微乳液-超临界CO2流体技术的设备设计

陈英萍，闻利群，周武峰

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

微乳液-超临界CO2流体技术的设备设计

陈英萍，闻利群，周武峰

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

本文设备设计用于微乳液-超临界CO2流体技术高压体系的紫外在线检测，高压池体侧端带有控温探针，能实时测量池内温度，同时高压池外部设有加热带能够自行调节温度，池体与萃取釜主体相连，通过阀门控制流量，这样的设计保证了池内所测的物质与萃取釜都在同等条件下，真正实现了在线检测。

在线检测；紫外光谱；设备设计；超临界流体技术；微乳液

紫外分光光度法是研究溶液反应动力学的常用方法之一，超临界流体介质的压力一般在几个兆帕以上，而一般的紫外-可见分光光度计无法满足高压要求，因此在超临界流体中研究化学反应动力学一直是一个棘手的问题[1]。超临界CO2萃取过程中，被萃取物料的得率取决于超临界CO2在萃取装置中的流动状态，萃取的批与批之间会有较大差异；而且萃取过程中不同的时间段，萃取物成分也会有一些差别。如何使萃取产品质量稳定可控是一个急需解决的问题，通过萃取过程中的在线检测实现产品质量控制是一条重要途径。在超临界CO2萃取生产中，靠离线检测分析萃取物，并以此调节生产过程，不可避免地存在一定的滞后，不能及时反映萃取过程中出现的问题，同时也不能调整不合理的生产状态而使该批产品报废，造成较大的经济损失，而在线检测则能快速分析检测萃取物，有效监控萃取过程，保证产品质量。通过在线检测系统还可以了解、评价提取工艺的合理性，为优化萃取工艺条件提供实验数据[2]。因此，在线检测技术对促进超临界CO2萃取技术的发展有非常重要的意义。

1 工艺流程设计

工艺流程设计是针对某一种物料，以试验技术为基础，以中试装置长时间正常运行的工艺技术为依据，设计出可用于超临界CO2流体萃取流程，具有进一步分离产品的能力，并可适用于多种天然产物有效成分分离、精制的装置。超临界流体萃取过程由萃取阶段和分离阶段组成，按照所采用的操作方法不同，有变压萃取分离（等温法）、变温萃取分离（等压法）和吸附萃取分离（吸附法）3种基本的工艺流程。但是，随着工艺研究的发展，单纯的等温或等压法，已不能再满足人们需求，本设计综合了等温等压的优点，采用气泵控压，水浴加热，使用铜-铠传感器控温，不但能实时精确测温，且加工、操作简单，降低了设备成本。流程图如下（图1）

图1 微乳液-超临界CO2流体萃取流程图

2 机械结构设计

本文主要涉及到两个设备的设计：萃取釜和高压检测池。萃取釜是超临界萃取技术发展的关键之一，对不同形态物料需选用不同的萃取釜；高压检测池设计的合理性直接影响到物质检测结果，因此其重要性不容小觑。

2.1 萃取釜设计

萃取釜结构的一个重要参数是长径比，对于固态物料，其长径比在1∶4～1∶5之间，对于液态物料，其长径比为1∶10左右。SC-CO2微乳液是表面活性剂分子溶于SC-CO2相自发形成的聚集体，其中表面活性剂的非极性尾伸展于SC-CO2相，极性头聚集成极性核，水分子增溶于微乳核中，从而形成热力学稳定、光学上透明的微乳液[3]。本文针对的是AOT-异辛烷-水微乳液体系而加工的实验设备，通过考察文献和资料得知实验所采用的微乳液最大膨胀度为550%，所以，设计萃取釜时没有根据通常的长径比计算，而是根据实际微乳液膨胀度计算所得，取长径比为1∶2.2。

为了观察到物料的反应情况，本设计给萃取釜的侧面安装了视窗（如图2），可直接观察到液面的反应情况，视窗材料使用有机玻璃，玻璃面上有刻度，不仅能直观的观察液面反应情况，而且还可以只通过简单计算就得到液体的膨胀体积。

釜体和端盖的密封采用螺纹密封，密封垫片采用聚四氟乙烯，进料管直接焊入釜盖内部，由于超临界CO2萃取过程有较高的操作压力，所以高压釜上设有安全阀，当压力高于设计压力时，安全阀自动放空，可避免事故[4]。在萃取釜内，还装有物料提篮，提篮的底端放有烧结片，可方便得到萃取物。

图2 微乳液-超临界CO2萃取釜

2.2 高压检测池设计

超临界流体内化学动力学的研究中，因分光光度法检测要求被测物必须盛放在比色皿里面，而普通的比色皿不能满足高压的要求，在线检测根本无法实现。本文的高压检测池为两面透光的柱状密闭耐高压金属池，金属的材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢，两端透光视窗采用石英玻璃（最高设计压力21MPa，厚度为10mm），直径Φ=14mm，其内部结构如图3所示。高压检测池的内体积为4.6mL，光程长约为29mm，进出样口位于柱体柱面两侧，接缝处用聚四氟乙烯垫片密封，能够拆卸彻底清洗。

图3 紫外高压检测

3 过程研究

实验时，打开截止阀，将配置好的含有萃取物料的微乳液放入高压萃取釜内，调节温度达到设定值。打开（如图4）四通阀中的F1、F2，关闭F3、F4，通过气泵向釜内通入CO2，达到预定值后，停止加压，关闭F1。保持温度、压力恒定，静置1h左右，以确保体系充分扩散、浓度均匀。在这期间，打开F3，向高压检测池中通入CO2扫基线，关闭F2，检漏后用针形阀排空2次，打开电热带加热，调整温度和萃取釜内温度一致，待高压检测池的温度达设定值后，打开F1，调整节流阀F5将试液慢慢注入高压检测池内，开启高压紫外可见分光光度计，开始时间扫描并记录结果。可以打开F4取样，放在另一台紫外光谱仪上检测，记录结果，对比实验中在线和离线检测的数据差异。

图4 实验流程图

4 结语

本文设计的设备初步应用于实验室微乳液-超临界CO2流体技术中，使用良好。文献[5]中采用的是先取样再检测的间接方法，但此方法对快速反应明显不适用，而且取样过程中肯定会改变反应液的相组成而带来误差。刘元冲等[6]曾采用改建的高压紫外可见分光光度计解决了高压在线检测的问题，但他们在实验时仍需手工摇动检测池，使微乳液达到匀一透明一相，这还是不可避免的存在着检测延迟。本文设计用于高压体系的紫外在线检测，高压池体侧端带有控温探针，能实时测量池内温度，同时高压池外部设有加热带能够自行调节温度，池体与萃取釜主体相连，通过阀门控制流量，这样的设计保证了池内所测的物质与萃取釜都在同等条件下，真正实现了在线检测。

［1］ 刘元冲，等.一套高压紫外在线检测的动力学研究方法[J].南京师大学报（自然科学版）2007，3（4）.

［2］ 雷华平，等.超临界CO2流体萃取中的在线检测技术[J].化工进展2006：367-370.

［3］ 韩布兴，等.超临界流体科学与技术[M].中国石化出版社，2004：49-61.

［4］ 廖传华，等.超临界CO2萃取技术及成套装备[J].石油化工设备，2002，31（5）.

［5］ Fernandez CidM V,Van Der Kraan M,Veugelers W JT,et al. Kinetics study of a dich lorotriazine reactive dye in supercritical carbon dioxide[J].Super critical Fluids,2004,32(1/3):147-152.

［6］ 刘元冲，等.一套高压紫外在线检测的动力学研究方法[J].南京师大学报（自然科学版）2007,3（4）.

Equipment design of the microemulsion-CO2supercritical fluid technology

CHEN Ying-ping,WEN Li-qun,ZHOU Wu-feng
(School of Chemical Engineering and Environment,North university of China Shanxi Taiyuan 030051)

This design of equipment is for UV-line detection of high-pressure system of microemulsion-CO2supercritical fluid technology.Two sides of the high-pressure pool body with a temperature probe can real-time detect temperature of pool.The external high-pressure tank with heater band can be self-adjust the temperature.The pool body is connected with the main extraction kettle,flow is controled through the valve,This design can ensure substances measured into the high-pressure pool and extraction kettle into the same extraction conditions,on-line detection is truly realized.

on-linedetection;UVspectroscopy;equipmentdesign;supercriticalfluidstechnology;microemulsion

book=2010,ebook=80

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.02.011

TQ 051.8+3

A

1008-1267（2010）02-0029-03

2009-11-03

陈英萍（1984-），女，在读硕士，主要从事设备安全和无机纳米粒子技术方面研究。