ccus超临界二氧化碳

1 摘要：介绍了超临界二氧化碳萃取技术的基本原理和特点，简单说明了该技术

在香料、医药、食品等工业上的应用。

关键词：超临界二氧化碳萃取 分离技术 基本原理

前言

超临界流体萃取，又称超临界萃取、压力流体萃取、超临界气体萃取。它是以高压、高密度的超临界状态流体为溶剂，从液体或固体中萃取所需要的组分，然后采用升温、降压或二者兼用和吸收（吸附）等手段将溶剂与所萃取的组分分离。

早在1897年，人们就已经认识到了超临界萃取这一概念。当时发现超临界状态的压缩气体对于固体具有特殊的溶解作用。例如再高于临界点的条件下，金属卤化物可以溶解再在乙醇或四氯化碳中，当压力降低后又可以析出。但直到20世纪60年代，才开始了其工业应用的研究。目前超临界二氧化碳萃取已成为一种新型萃取分离技术，被广泛应用于食品、医药、化工、能源、香精香料的工业的生产部门。

1 超临界萃取的原理

当液体的温度和压力处于它的临界状态。

如图1是纯流体的典型压力—温度图。图中，AT表示气—固平衡的升华曲线，BT表示液—固平衡的熔融曲线，CT表示气－液平衡的饱和液体的蒸汽压曲线，点T是气－液－固三相共存的三相点。按照相率，当纯物的气－液－固三相共存时，确定系统状态的自由度为零，即每个纯物质都有自己确定的三相点。将纯物质沿气－液饱和线升温，当达到图中的C时，气－液的分界面消失，体系的性质变得均一，不再分为气体和液体，称点C为临界点。与该点相对应的临界温度和压力分别称为临界温度T0和临界压力P0。图中高于临界温度和临界压力的有影阴的区域属于超临界流体状态。

在这种状态下，它既不完全与一般气相相同，又不是液相，故称为超临界流体。超临界流体有气、液相的特点，它既有与气体相当的高渗透力和低粘度，又兼有液体相近的密度和对物质优良的溶解能力。这种溶解能力能随体系参数的变化而连续的改变，因而可以通过改变体系的温度和压力，方便的调节组分的溶解度和萃取的选择性。利用上述特点，超临界二氧化碳萃取技术主要分为两大类原理流程即恒温降压流程和恒压升温流程。前者萃取相经减压，后者萃取相经升温。

论文

题 目： 超临界二氧化碳染色

姓 名： 崔志鹏

学 号： 0810150201

专业班级： 轻化082班

学 院： 纺织学部

二零一零年十二月十二日 超临界二氧化碳染色

【摘要】超临界二氧化碳染色技术是一种新型环保的染色技术，本文通过对一些文献的查阅，简单地概述这种技术的特点以及发展前景。

【关键词】超临界二氧化碳；新型染色技术；环保

【引言】 利用超临界流体溶剂所具有的低粘度、高扩散性等等传统工艺中水溶剂所不具备的多种特性进行染整加工，而且加工工艺中不断体现出了新的优势，是目前值得探索的加工工艺之一。

超临界二氧化碳的概念

二氧化碳(CO2)是一种无色、无臭和不燃的气体，其相对密度是空气的1. 5倍。它的分子呈直线型，两个氧原子分别在碳的两侧，呈对称分布,故不显极性。所以，它的相对分子质量虽比水大。但沸点很低，在常温时为气体。它的临界温度为31.10C？加压易液化。由于其分子是非极性的，液态的二氧化碳对极性物质的溶解能力不高，对低极性和非极性物质都有较高的溶解能力，因而对非极性或疏水性纤维具有较强的溶胀能力。如果把二氧化碳置于密封体系中升温和加压，当超过C02的临界温度(31.10C)和临界压力〔7.39MPa）时，即超过临界点后，则C02转变到超临界流体状态。此时，它具有许多独特的性质。在临界温度以上， 不管如何加热，它也不能变为气体；同时，在临界压力下，即使加很大的压力也不能变为液体和固体。由于它不同于气体、液体和固体，故将这种状态的流体状态称为超临界流体。超临界CO2流体（SCF）是指处于临界温度和临界压力(31.2。C,7.31MPa)以上，具有良好溶解性和扩散性质的流体。i

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. 优选- 超临界二氧化碳动力循环

1.超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机

〔1〕美国桑迪亚国家实验室研发超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机

美国桑迪亚国家实验室研究人员研发出一种新的超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机，目前正在进展发电系统的示范阶段。这种新轮机可将热电转换效率提高多达50%，为核电站配备的蒸汽轮机可改善50%，或者一个单独的燃气轮机效率可提高40%。该系统十分紧凑，意味着资金本钱会相对较低。

研究主要集中在超临界二氧化碳〔S-CO2〕布雷顿循环轮机，这种轮机通常是用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反响堆。目标是最终取代蒸汽驱动的兰金循环轮机〔效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍〕。布雷顿循环每个组合可以产出20 MW的电力，占用空间只有四个立方米。

桑迪亚国家实验室目前有两个超临界二氧化碳测试循环。第一个发电循环位于科罗拉多州Arvada，从2021年3月开场运行，开展阶段的发电量大约为240 kW，现在正在进展升级。第二个循环位于Albuquerque桑迪亚国家实验室，用于研究临界点附近存在的包括压缩、轴承、密封、摩擦等问题。

桑迪亚国家实验室近期方案继续开发和运行小的测试循环以确定关键功能和技术。测试结果将说明概念容量〔尤其是它的紧凑性〕、效率和更大系统的可扩展性。未来方案是进展技术的商业化，先在10 MW的工业示范电厂开展。

桑迪亚还有一种采用氦作为工作流体的布雷顿循环，设计运行温度约为925℃，预计发电效率达43%-46%。相比之下，超临界二氧化碳布雷顿循环作为氦布雷顿.

超临界二氧化碳循环特性

作为第四代核能系统的候选堆型，超高温气冷堆和气冷快堆具有高安全性、高效率、用途广等特点，且均拟采用氦气作为反应堆直接循环工质。由于氦气具有稳定、无毒、无感生放射性、热容大等特点，因此，目前世界上的气冷堆广泛使用氦气作为直接闭式Brayton循环的工质及反应堆的冷却剂。但氦气循环需较高的循环最高温度（堆芯出口温度）才能达到满意的效率，因此，对反应堆的结构材料、燃料元件材料等提出了较高的要求，同时由于氦气密度低、可压缩系数小等缺点，氦气循环叶轮机械的制造也产生了一定困难。

与氦气相比，CO2因其密度大，且易于压缩，CO2的临界温度为304.19K，比环境温度略高，临界压力为7.3773MPa，在运行工况下，可利用其实际气体的性质减少压缩功等，采用CO2作为工质的循环所需的温度不需太高即可与氦气循环具有相当的效率，因此，使用CO2作为气冷堆循环的工质具有广阔的潜力。同时，CO2循环也被推荐使用于第4代核能系统中的钠冷快堆（SFR）和铅冷快堆（LFR）。

1. 二氧化碳动力循环

（1）简单超临界Brayton循环

与理想气体的Brayton循环类似，CO2的简单超临界Brayton循环如图1-1所示,分为以下几个部分:1至2为CO2在压缩机中被压缩至循环最高压力的过程；2至3为CO2在回热器中的吸热过程；3至4为CO2在中间换热器从反应堆堆芯或热源的吸热过程；4至5为CO2在透平中的膨胀做功过程；5至6为CO2回热器中的回热过程；6至1为CO2的预冷过程。其中，2至3及5至6的回热器的回热过程是Brayton循环的关键。回热器的存在使得Brayton循环的热量得以最大限度地利用，从而提高了循环的效率。

图1-1 简单超临界Brayton循环

受堆芯出口温度限制以及CO2工况下比热容变化较大的影响，CO2简单超临界Brayton循环的效率与氦气循环相比并不高。由于CO2相对氦气较为活泼，高温下可与燃料元件和金属构件发生化学腐蚀，因此，在使用CO2作为冷却剂的气冷堆中存在工程约束条件，即CO2的工作温度不能超过670℃。同时，CO2工作在临界点附近，是实际气体的Brayton循环，在回热器高压侧和低压侧流体的比热容变化均较大。由于回热器高压侧流体的比热容大于低压侧流体比热容，因此，在传递相同热量的情况下，回热器低压侧需较大的温差才能使高压侧产生较小的温升，从而使得换热器可能出现夹点，令传热恶化，这也使得高压侧流体在反应堆堆芯或热源处需吸取更多的热量才能达到设计的循环最高温度，因而降低了CO2简单超临界Brayton循环的效率。