超临界二氧化碳萃取的过程及设备
3.2 超临界流体萃取过程的设计与开发
除了在一些食品提取工业中实现超临界流体萃取的工业化外，其在高附加值产品分离中也展现出新的活力，特别是在制药工业中，其重要性也日显增加。尤其是随着有关毒性物质排放越来越受到严格限制，SCFE的使用范围也会日渐扩大。但是SCFE的使用可行性是与过程的规模、产品的价值、是否需用无毒溶剂的一些因素有关。因此，只有进行周密的设计后，才能定量权衡上面提出的种种因素。一旦得出具有可行性的设计，便会吸引到企业界和研究者的重视和关注。
当前，不仅仅是国外的一些学者和专家作了扼要而实用的综述[1]，而且在国内召开的“超临界流体技术学术及应用研讨会”上有多篇论文专门讨论了SCFE的工艺与设备设计。早八十年代就出现了SCFE过程设计和开发的报告，近30年间，有关SCFE的设计研究还在不断进展，逐渐完善。有些产品，如真菌脂质的提取，不仅要作SCFE的过程设计，而且还要作其他单元操作，如对液液萃取的设计进行比较，从经济上确定何种过程有优势，从而便于在进一步的投资中作出判断。可以说，目前SCFE已如其他比较成熟的单元操作一样,设计、仿真和优化(design,simulation and optimization)的工作已全面开展，这也从-个侧面表明SCFE的实用性正在受到越来越多的科技工作者的关注。
3.2.1 超临界流体萃取工业装置的开发步骤
图3-16示出了任一扩散分离过程科学开发的流程示意图。在步骤2中确定所涉及物料的特征后，一般情况下，若选用传统的分离单元操作，如蒸馏、液液萃取等，往往是凭设计者的经验来选定，较少采用预设计的方法。在开发过程中直接进行实验研究。但SCFE 是新技术，对其了解不多。为了能和其他分离过程作出比较，必须在此前作出预设计或过程仿真、优化，其流程如图3-16所描述。按照科学开发的原则，不管采用何种分离过程，理应先进行仿真，再作实验验证，有利于省时省力。随着计算机的快速发展，图3-16的开发流程，更为开发研究者乐于采用。Lira[2]指出，图3-16中的步骤4和6是决定最终SCFE 是否成功的关键。但是没有步骤3和5，更多的优化工作要在实验验证(步骤7)后进行，这就延缓开发进程和花费更多的人力、物力。
图3-16 一个扩散分散过程科学开发的流程示意图
1-要处理（分离）物料的给定；2-物料的表征；3-组分的热力学性质；
4-溶剂或混合溶剂的选择；5a-平衡性质的模型化；5b-传递性质的模型化；
6-过程设计；7-实验验证；
随着工业化的SCFE装置的投产，达到设计规模的正常操作，得出符合要求的产品是工艺、工程、设备、仪表与控制等诸多方面的共同合作和总体水平的体现。要确实保证SCFE 装置的可靠性、安全性和操作的合理性和足够的便捷性等，设备也是其中的关键组成部分。在2002年和2004年分别召开的第四届和第五届全国超临界流体技术学术及应用研讨会论文集中都设有“超临界设备”的栏目。也报道了不少我国在研究、开发和制造超临界流体萃取设备的有关看法、经验和成果。下面是几个国内外关于SCFE设备的例子。
3.2.1.1 国外的工业化装置的实例
1978年德国的HAG公司的大型工业化咖啡豆脱咖啡因装置投产后，还有其他的工业化SCFE装置也相继建成。
表3-1 德国和美国的SCFE工业化装置
表3-2 日本的SCFE实用化装置
根据报道，日本已有SCFE工业化装置约20个，过去主要是生产香料和色素等，这和表3-2多数内容基本符合，但最近新的装置主要是向食品和制药行业扩展，其主要意图是调节、减少有机溶剂在上述行业中的应用，力求符合环保要求。还透露日本已试图用SC-CO2从藻类中提取虾青素(astaxanthin) 的研究。
意大利的学者也十分重视研究和开发超临界流体技术，并在推动其工业化的进程，例如位在Salerno的Essences香精厂，用SCFE和分级分离生产精油，用4×300L的萃取釜，后面有4级分离，后面的三个分离器用的是专利技术旋流式分离器（cyclonic separation vessel)。
到目前为止，SCFE应该还是一种化工的新技术，用的又是高压技术和设备。从事此项技术的研究和开发人员以及企业界人士对其工业化过程的成果是十分关注的，但是有关SCFE工业化的资料很少，不易收集。但只能介绍一些已见诸于期刊，专利中的信息，再做些分析。
Maxwell House咖啡的工业化是以Katz等的专利为根据的。图3-17示出了用该专利提出生产约50000t/y脱除咖啡因的咖啡豆的萃取塔。在萃取塔的顶部和底部分别安装了带闭锁装置的布料器（Lock hopper vessels)。SC-C02 不断从6进入，从4排出萃取后的流动相。当固体物料从萃取塔通过出口阀7排出到布料器8中，与此同时带水分的绿咖啡豆从顶部的布料器2通过阀门3进入萃取塔，始终保持萃取塔中的咖啡豆体积不变。且阀门3和7是联动的。一旦出料停止，进料也立即停止，阀门3和7同时关闭，及时把布料器8中的的固体物料排空，又把原料加到布料器2中，做好下一次出料与进料的准备。
图3-17 Maxwell House咖啡脱咖啡因工艺中的萃取塔
1，3，7，9-阀门；2，8-布料塔；
4-萃取后的液体相出口；
5-萃取塔体；6-SC-CO2进口
根据该专利设定，每当进行一个半连续脉冲后，萃取塔体中的全部物料都得到了更新。约15%要萃取的物料有所交替，换言之，因此，已不是完全间歇式的操作，不再需要每次操作都要打开萃取塔，进行出料和进料，这是该专利技术的萃取塔和中小型间歇萃取釜的一个主要不同所在，该萃取塔直径2.13m，塔高21.37m，内部体积约70.8m3，绿咖啡豆的堆积密度为640.8kg/m3。在萃取塔内可装45.368t咖啡豆，每次出料量约为6.81t，若每小时出料一次，若年开工达310日，则每年产量可达约50630t的脱除了咖啡因的咖啡豆。
德国SKW Trosberg 厂从茶叶中脱除茶碱(theophylline) ，茶碱与咖啡因都是黄嘌呤(xanthine)的衍生物，该厂年产约6000t脱除茶碱的茶叶，厂内有三台6.5m3的萃取釜，每个萃取循环加入的茶叶量约910kg。茶的堆积密度约为140kg/m3。采用活性炭吸附茶碱的工艺。
从以上介绍的内容结表和表中列出的萃取釜规模来看，除了Maxwell House，HAG和SKW等厂具有几十立方米以上的萃取塔（釜）以外，其余的规模都比较小。一般都只有几百升的体积。发达国家几十年来SCFE工业化的进程说明该工艺适用于萃取香精、天然产物、食品、药物和保健品等附加值比较高的物质，但产量都不很大。SCFE的特点是萃取品种多，所用装置分散，或一套装置生产多种产品，但产量却有限，生产脱咖啡因的咖啡豆是个较特殊的例子。由于国外对咖啡情有独钟，消耗量大。因此才有必要兴建70.8m3
的超大萃取塔，这要根据生产对象和任务来兴建，绝不要不问对象和任务而去研制开发大型萃取釜，还要结合国情，减少研制中的盲目性。
3.2.1.2 我国工业化装置的实例介绍
为了缩小我国的SCFE工业化装置和实验研究装置与国外的差距，发展我国在这一新兴领域的工业技术，通过二十多年来消化吸收国内外先进技术经验和努力实践、开拓，在国内已出现力量比较集中的公司、工厂和工程研究中心，培养出一支工艺开发、设备设计、制造应用相结合的技术队伍。他们是既擅长工艺开发，又会设备设计、制造，且又有相当应用实践经验的复合型技术人才。与外界合作能本着相互尊重、诚信、互利的原则，充分发挥公司在产业化应用孵化、验证平台方面的优势，相信在今后的时日中更会发挥其研发能力。用下面的一些实例来说明我国SCFE工业化装置进步的轨迹。
（一）引进消化国外装置——实例1
1995年山西洪洞飞马实业公司着手引进意大利Fedegari公司超临界C02萃取成套设备。经过五年来中意双方共同努力，于2000年7月投料试车成功。董桂燕等从技术谈判就参与了工作，如工艺参数的选定，工艺流程及主要设备规格的确定以及承担了装置的国内配套辅助设施的设计；随后参加系统水压试验，联动试车、投料试车等全过程。从而能比较全面深入地了解意大利公司出品的SCFE技术水平，装置特点和设计思想等，开阔了思路，积累了经验，对以后的工程设计、研究开发都会有较大的启发。董桂燕等认为，如将引进的SCFE装置和我国自主开发的相比较，在机械制造、仪器自动化、机电一体化等方面是存在着较大的差距。同时也感到SCFE毕竟还是个新兴行业，人们对其认识还远远不如对传统产业那样深刻，即使对工业发达国家来说，在系统的热量与能量平衡、工艺流程设计、设备结构设计和自控仪表回路的设置等方面也会有些不足，需要进行相应的改进。该装置的主要技术参数：
萃取釜：2×300L
萃取压力：<40MPa
萃取温度：20-70℃
C02泵最大流量：2600kg/h
液体精馏柱：Φ200×5000
该装置的工艺流程简图见图3-18。包括C02萃取循环、携带剂添加、液体精馏、多级减压分离和C02再压缩等子系统。为了适应不同生物制品萃取的需要，操作参数的设定和调节范围都比较宽广。
图3-18 引进的Fedegari公司SC-CO2萃取工业化装置流程
A1、A2-萃取器；C-尾气回收压缩机；E1、E2-冷却器；E3、E4、E5、E6、E7、E8-加热器
F-精馏柱；P1-CO2泵；P2-携带剂泵；P3-液体物料泵;P4-回流泵；R1-CO2储罐
R2-携带剂储罐；R3-物料储罐；R4-回流罐；S-分离器；S XX-旋风分离器
装置的全部压力容器均按ASME (American Society of Mechanical Engineering，美国机械工程师协会）规范进行设计、制造。设备精度好，外观优美，特别是萃取釜快开盖结构设计好，采用的是楔块式结构，整个釜盖结构紧凑占地面积小。利用气动机构实现釜盖的锁紧与松开，由置于釜盖上的气缸通过传动机构带动4个锁块沿径向运动，使锁块嵌入釜体法兰的槽中来完成锁紧过程。为了保证安全，气动控制回路通过计算机与测压系统实现连锁。每个分离器均采用“三级减压连续排料”系统，这是Fedegari公司的专利技术，母组均由4个小型分离器组合而成，通过逐级减压连续地排除液体物料，并释放出液体中的CO2气体，有效防止有效防止C02雾沫夹带，装置中也配有挟带剂添加的子系统，得以进行某些极性物质的萃取。因设有液体物料加工的精馏柱，用来再次分离液体萃取物。C02再压缩回收子系统中配有C02压缩机能有效回收系统内残存的C02 ,减少C02气耗。
（二）自主开发研制工业化装置和产品的工业化试验一实例2，3，4
实例2：20世纪90年代初我国虽有少数SCFE装置投入使用，但均不是快开结构，与国外同类装置相比，差距很大。国家科委及时组织实施了“八·五”攻关计划，立项开发符合国情的SCFE工业化装置。为此，广州市轻工研究所承担了“超临界C02萃取沙棘油工业化”的项目，其中包括500L SC-C02萃取的工业化装置开发研制任务。
装置的主要技术数据：
萃取釜体积2×500L（直径Φ500mm、高度3000mm、吊篮体积500L）
萃取压力<32MPa
萃取温度20~70℃
分离釜体积200L（直径Q400mm、高度2200mm)
分离釜压力<16MPa
在研制中对萃取釜的快开结构进行了选择。根据装置的使用要求，采用了卡箍式快开结构。因其结构较为简单，易于加工和能实现快开自动化之故。为了确保排气完全，不但需有釜内压力指示，还须采取一系列保险措施以保证釜内压确已降至大气压时，方能开眉卡箍，实现安全生产。还对萃取釜的卡箍式快开结构进行疲劳强度分析计算，用有限元法计算危险点的名义压力，证实循环次数可大于萃取釜使用期内的预计循环次数，能满足疲劳强度要求。
用所研制成功500L工业化萃取装置对沙棘籽进行了萃取，所得结果见表3-3。先将250kg左右的沙棘籽清理、筛选、粉碎后，装入500L的吊篮内，然后再放进萃取釜再放讲萃取筹压解析。在第一解析器内得到沙棘籽油产品，而在第二级解析器中则分离出游离脂肪酸和水。在表6-16 中虽列出了生产性的实验数据，但尚欠仔细，如每个编号的实验萃取温度究竟在何温度？床层填充度和原料的粒度均未加以说明，从所得数据来看，似乎重复性也不是很好。但在该文的结论中却指出，该装置的使用性能达到国外同类装置的水平。笔者看来，在所得技术结果、数据质量与结论间似尚有差距。
表3-3 在500L釜内SC-CO2萃取沙棘籽的实验结果
实例3 1000 x 2 等若干SC-C02萃取过程的开发
我国有天然资源的优势，如何将其转化为经济优势，是经济发展中的重大课题。在天然产物深加工领域中SCFE技术受到青睐。实现SCFE的工业化会促进天然资源（特别是中草药）的开发，如何将SCFE技术和中草药的开发有效地结合，使中草药能提高其药效并进入国际市场是一个很值得重视的发展方向。
刘汉槎等指出，SCFE的工业化，绝不仅是萃取装置的研制。大量产品的成功开发与经营，对促进技术走向成熟与工业化水平的不断提高具有决定性的意义。我们对此观点表示赞同。工业化的SCFE过程开发成功，获得大量市场急需的产品并得到良好的经济效益至关重要。广州美晨集团股份有限公司（前身是广州市轻工研究所）本着以上的观点进行了1000L x 2 装置规模的萃取厚朴酚工业化过程的开发，简要情况如下：厚朴为木兰科植物，厚朴或凹叶厚朴的干皮、根皮和枝皮，是一种用途广泛的重要中药材，厚朴制剂有明显的抑菌作用。厚朴的有效成分主要是厚朴酚(magnolol)与和厚朴酚(honokiol）。此两种化合物具有使中枢肌肉松弛的作用。
厚朴的传统提取方法主要是醇提法，提取浓缩涉及多种反应，且所得的厚朴浸膏中厚朴酚与和厚朴酚含量低，浸膏的颜色很深。在此之前，也有实验室和中试规模水平上的SC-C02萃取厚朴的研究。然所得数据尚难以作为工业化的依据。广州美晨集团利用其拥有工业化装置的优势，结合工程技术和经济因素进行了工业化试验。所用流程见图6-33。考虑到生产实际，C02流量选定为3000L/h。并定义萃取率=提取物中厚朴酚与和厚朴酚总量/原料中厚朴酚与和厚朴酚总量×100%。分别研究了萃取压力、萃取温度、萃取时间和物料粒度等对萃取率的影响，得出了萃取的适宜工艺条件：萃取压力为25MPa、萃取温度为35-40℃，萃取时间为6 小时和物料粒度为40 目。在此条件下萃取率可达90%以上，萃取物颜色浅黄，品质好，无溶剂残留，萃取物中厚朴酚与和厚朴酚总含量为60%左右。
可作为中药中间体和日用化学品的原料。此项目于2001年6月在广州实现工业化生产，并为“黑妹”牙膏厂等提供了厚朴的提取物，开发出现代中药牙膏，效果良好，利润上升，体现出高新技术结合并改造传统产业的促进作用。
图3-19 1000L*2超临界C02萃取厚朴有效成分工艺流程示意图
E1、E2-萃取釜；C-C02储罐；P-高压泵；EX1、2、3-热交换器
S1-第一级分离釜；S2-第二级分离釜；F-流量计；V1-V10-阀门；VC1、2、3-调节阀
除虫菊是菊科属的草本植物，经SCFE后所得的除虫菊酯能够快速击倒昆虫，且不易产生抗药性；对哺乳动物及植物无毒无害；不污染环境等一系列优点，是联合国有关组织推荐的广谱、快速、高效无公害生物农药。随着世界各国对食品安全和环境保护的要求和环境保护的要求和法规日益增高和强化，此类农药的需求也越来越大。我国云南已大面积种植，前期已种植10万亩。该省对此项目十分重视，并将其作为建设“绿色经济强省”和产业结构调整的新兴支柱产业来抓，计划将云南发展成为全球最大的除虫菊开发基地。广州美晨集团股份有限公司经过小试、中试和工业化试验，主要结果见表3-4，并为云南两家生物技术公司研制了两套1000L x 2 SCFE 工业化装置，分别在2001年6月和11月先后投入运行，据称，投产后所生产的除虫菊提取物很快受国外各厂百眯，产品因此而销售一空。
表3-4 用1000L*2 SCFE装置萃取除虫菊的实验结果
a-装料量为320公斤的除虫菊，用SC-C02萃取时间为2小时
广州美晨集团股份有限公司开发的工业化装置已达十几套，最大的装置规模为3000L 的萃取釜。该公司多年来一直在致力于营造一个孵化、培育和开发SC-C02技术的环境。目前已达到能开发出具有技术上比较合理、稳定性良好的SCFE工业化装置，但技无止境，在装置的安全性、可靠性、适应性和经济性方面还在不断追求进步，以便能够高水平地体现出工艺、产品所提出的要求。此外，还希望积聚力量能从理论层面上来改进和指导过程与装置的研究和开发工作，能把我们的工程实践经验提升到一定的理论高度，逐步从必然王国走向自由王国，使企业成为自主创新的主体。
三、主要设备
SCFE是承压过程，按我国《压力容器安全技术监察规范》中的分类方法。内压容器按设计压力大小分为四个压力等级，具体划分如下：
低压（代号L) 容器0.l MPa≤p≤1.6 MPa；
中压（代号M) 容器1.6 MPa≤p≤10.0 MPa;
高压（代号H) 容器10.0 MPa≤p≤100 MPa；
超高压（代号U)容器p≥100 MPa
在SCFE流程中有高压容器，为萃取釜，也有一些中压容器，如分离器、储罐等。SC-C02萃取装置从功能上可分为6个部分：制冷系统、萃取系统、携带剂循环系统、分离系统、C02循环系统和控制系统等。主要包括C02升压设备（高压柱塞泵或压缩机)、萃取釜、分离器、C02储罐、换热设备等。有关上述设备在文献L49i中都有一定的介绍，萃取釜的压力最高，又是非定型设备。本书将对此作些补充和讨论。
萃取釜设计的总要求集中在安全性和经济性上。安全是前提，经济是目标，在确保安全的前提下应尽可能达到经济的要求。对不同形态物料要选用不同的萃取釜。所谓安全性包含有两层含义：即结构完整性和密封性。结构完整性主要指萃取釜在满足功能要求的重要参数的基础上，还要能符合强度、刚度、稳定性和耐久性等有关规定和指标。萃取釜结构的重要参数是长径比、对用于固体物料的工业化萃取釜可选长径比为4.5：1。Perrut建议对其长径比可选为5-7：1两者虽有差距，但尚比较接近。列出这些经验性数据，以供参考。
萃取釜承受高压力，所采用的钢材的情况决定其能承受最高工作压力的限值。若萃取釜由原材料整体加工而成，不采用任何焊接形式，而原材料又有材质保证书，则当其加工完毕，可不做射线或超声波探伤，但必须做水压实验。若萃取釜的最高压力为31.5MPa。则设计压力将是39.4MPa，而水压试验压力则应为49.3MPa三种压力呈等比关系，相邻两者间相差1.25倍。一般工艺工程师进行的是萃取釜的工艺设计，至于该设备的强度计算、疲劳分析以及可靠性和优化设计等均应请压力容器的工程师或设计人员承担。
在萃取的是固体物料，如植物的根、茎、叶等。由于在高压很难实现连续化生产，到目前为止，大都采用间歇化方式操作。SCFE的产品有不少用在食品、医药、化妆品等行业。因此萃取固体物料的设备与一般的压力容器相比，有其不少特殊之处，需在其结构和设计方面加以关注，除应满足一般高压容器要求外，还应满足如下的基本要求：（1）SC-C02萃取得到的产品常与人类的健康有关，因此设备的设计应满足食品、医药生产的卫生法规。
（2）对于间歇操作的萃取釜，由于萃取釜中的物料需频繁更换，设备会经常需要打开和关闭。除了要减少装卸物料时间外，更要注意与安全密切有关的密封性，使萃取釜的泄漏率控制在允许的范围内。因此，萃取釜的密封需用快开结构的形式。
（3）按疲劳设计规定，高压容器整体部分承受交变负何不超过1000次，而非整体部
分不超过400次时，可以不作疲劳分析。间歇操作的萃取釜，若其操作周期为3小时。一年以300天机算，需升、降压2400次，若萃取釜的设计寿命为15年计则会承受交变载荷36000次，大大超过以上的规定。因此间歇操作萃取釜应具备良好的抗疲劳性。
（4）若萃取釜在卸压未尽前打开，或端盖未完全闭合时就升压。是快开式萃取釜爆炸的主要原因之一。故在间歇操作萃取釜上应设置能控制端盖开闭动作的安全连锁装置。
（一）萃取釜的筒体结构。
间歇操作萃取釜的筒体结构，体积在100L以下的普通萃取釜，采用单层整锻式的筒体结构。优点是结构简单，无薄弱的深环焊缝和纵焊缝。但在锻压所造成锻件，其不同方向力学性能差异较大，导致发生低应力脆性破坏的可能性增大；为保持萃取釜的表面的洁净、卫生，则设备加工的要求就要提高，或用不锈钢锻件，两者都会提高成本。以上所述，可视为该种筒体结构的缺点。
组合式筒体有多层包扎式、热套式和绕带式等，多层包扎式是目前世界上应用最广、制造和使用经验最丰富的结构。筒体由厚度12-25 mm 的内筒和厚度为4-12 mm 的多层层板两部分组成。为避免裂纹沿厚度方向扩展，各层板间的纵焊缝应相互错开75°。优点是制造工艺简单，也不要大型复杂的加工设备，与单层筒体相比，安全可靠性较高。缺点是制造工序多，效率低、周期长、材料的利用率低。
扁平钢带倾角错绕式筒体是我国首创的一种新型绕带式圆筒结构。内筒厚度约占总厚度的1/6-1/4，采用简单的“预应力冷绕，，和“压辊预弯贴紧”技术，相对于萃取釜环向倾角15°-30°。在薄内筒外方交错缠绕扁平钢带。钢带宽约80-160mm、厚约4-16 mm，钢带的始末两端分别和底封头与端部法兰相焊接。长期使用和实践证明，与其他类型厚璧圆筒相比，此种结构具有设计灵活、制适方便，可靠性高，在线安全，监控方便等优点。在过去30多年中，在我国已制造Φ1000 mm的扁平钢带倾角错绕式氨合成塔等高压容器7000多台。取得了重大社会效益和经济效益。该结构已被列入ASME-l和ASME-2标准规范案例。郑津洋等虽已提及该结构具有很高安全性，当内筒破坏时，钢带强度并未丧失，仍能承载，可达到只漏不爆的效果。但到目前为止，在我国尚未用此种筒体结构来设计和制造工业用SC-C02萃取固体物料的萃取釜。
（二）萃取釜的密封
密封是保证萃取釜操作安全和按设计要求成功运转的重要措施。高压密封装置的重量约占容器总重的10%-30%，而成本占总成本的15%-40%。密封设计是高压容器设计的重
要组成部分，萃取釜的密封有多种形式，郑津洋等和彭英利等对此都做了归纳，并给出了相应的结构图。表3-5和表3-6给出了小容量和大容积萃取釜密封装置的描述。
表3-5 小容积萃取釜的密封装置
表3-6 大容积萃取釜的密封装置
图3-20 卡箍式密封
1-顶盖；2-衬环；3-密封圈；4-卡箍；5-密封环
6-筒体端部法兰；7-连接螺栓；8-螺母
图3-21 齿啮快开密封
1-顶盖；2-密封圈；3-端部法兰；
4-端部法兰齿；5-顶盖齿；
从图3-20可见，卡箍内面有两个锥面，分别与顶盖和筒体端部法兰的锥面相触．承担由顶盖传递过来的轴向力。通过逐个拧紧和松开连接螺栓，实现萃取釜的关闭和开启。密封环为O形圈和密封环。密封环通过衬环与顶盖和筒体端部法兰接触，密封环和顶盖与筒体端部法兰间各装有一个O形圈。装配时，O形圈受到挤压，产生预紧密封，当处于正常工作态时，在内压作用下，O形圈可实现自紧密封。卡箍式密封已被广泛用于间歇操作的场合，由于结构和受力都比较复杂，目前国内尚无成熟规范可循。而日本工业标准
JISB8284-2003根据ASMEⅧ-1卡箍连接体的设计原理对高压容器快开盖结构提出了统一的可操作的计算方法。董金善等开发了萃取釜卡箍式结构的CAD软件，实现了萃取釜设计计算及参数化、一体化，能有效缩短产品的开发周期，提高设计效率。
从图3-21可见，顶盖和容器端部法兰在圆周方向加工成均布的啮合齿。将O形密封圈安装在顶盖底部的凸缘上，从而使其随顶盖一起运动。借助O形密封圈与端部法兰及顶盖的配合来实现容器的初始密封。待等压力上升后，O形密封圈能实现自紧密封。萃取釜的闭起歩骤如下：关闭时，先将顶盖齿嵌入端部法兰齿的端部间隙，使顶盖兰齿完全啮合，就可开始升压。开启时，只要将顶盖反旋到原放人的位置，即可将顶盖取出。由于只需将顶旋转一定的角度就能实现萃取釜的启闭，充分体现具在操作上的方便，有利于工作效率的提高。
当萃取釜内的压力升高后，在密封接触面上的密封比压(sealing specific pressure) 也会很高。一般非金属元件往往难以承担如此大的密封比压，故也有使用金属密封元件，若采用非金属密封元件，根据我国的工业实践，由于CO2具有极强的渗透和溶解能力，普通橡胶密封圈只能使用一次，而橡胶圈的溶胀还会影响萃取釜的装卸。国外有的公司生产的橡胶圈可以多次便用，而我国却未能做到，明显存在看差距，应努力开展有关这方面的研究。
朱恩俊对萃取釜的密封结构作了研究，认为选择O形圈作为密封元件时应考虑橡胶材料的性能，如抗拉强度、耐磨性能、永久变形、硬度、耐热性、奈介质性和渗透性等，渗透性对流体密封十分重要，对气体密封尤甚，会直接影响其密封性能的优劣。表3-7列出了几种常用的橡胶在CO2中的透气性。
表3-7 几种常用橡胶早CO2中的透气性
从此表可见，丁腈橡胶对CO2而言，还是比较不透气的，而该橡胶的耐油性优异，与石油脂肪烃（汽油)、植物油和乙醇等有机溶剂长期接触仍能保持其原有强度和良好的物理性能，同时也具有良好的耐热性和耐水性；但低温柔软性差，介电性能差和弹性低则为其缺点。综合考虑以上有关情况，朱恩俊选用了丁腈橡胶作为O形圈的材料。经试用后，丁
腈橡胶O形圈未见挤出破坏现象。他又发现，聚四氟乙烯塑料平垫圈经长期工作，特别操作温度较高的条件下，会逐渐被挤到密封沟槽间隙内。值得指出，朱恩俊等研制的萃取釜直径为109.5 mm，有效容积为2L，最高工作压力为31.4 MPa。因此，由丁腈橡胶制得的O形圈只在小型萃取釜中尚可使用，因未经工业化萃取釜的验证。
据报道，广州美晨高新分离技术有限公司（原广州市轻工研究所）曾自主开发了新型密封结构和元件，从根本上解决了这一难题，它具有完全实现快开、密封可靠，并且可重复使用，性能完全达到了进口元件的标准。但在此文中并未透露其他有关情况。经查证该所曾开发了一种内衬金属环的特种材质的密封圈，完全消除了溶胀现象，只要不发生意外损伤，可连续使用一年左右，是较为理想的SC-CO2萃取釜的密封材料。但该密封圈的加工精度要求高，价格也较贵，估计和之前文献所指的是一类密封圈。
3.2.2.1 相平衡与流体力学知识的运用
要想降低过程开发中的研究费用，只有在充分掌握SCF（目前使用SC-CO2）与要分离组分以及杂质的相平衡性质和数据，以减少在规定工业化生产条件中的风险。只有从理论上说明压力、温度和夹带剂对溶解能力(与工业过程的产率和速率相关)和选择性(与工业产品中关键组分的浓度水平有关)影响，才能得到二氧化碳溶剂的成功实验数据，进而在过程设计中应用，以期得出优化的工业装置实绩和经济效益。例如在某种情况下，工业装置的实绩和经济效益与在溶剂中是否添加携带剂关系十分密切。选用何种携带剂，在什么温度和压力条件下，添加该携带剂的量又是多少的时候，才能显着影响工业装置的实绩和经济效益。而要完成这样的任务，必须运用相平衔的基础理论和方法，才能使筛选实验能有效、有序的进行。
要想从拟定的筛选实验中能得到流体的动力学性质(如SC-CO2：的扩散系数和空速)及如何影响工业装置的工况和经济效益的数据,掌握流体力学知识就十分重要。在许多情况下，SC-CO2的空速对工业装置的工况和经济效益就十分敏感。实验的设计就必须满足其所得数据能用于计算SC-CO2的空速如何敏感地影响工业装置工况和经演效益。
溶剂萃取植物物质(botanical substance)的传质大致上可以分为4步，即
(1) 溶剂扩散进入植物物质。
(2) 溶质的溶剂化(solvation)。
(3) 溶质扩散进入流体相。
(4) 溶质和流体相从萃取区向外输出。
SCFE是一种典型的在高溶剂进料比、高空速和低流体粘度下的操作。所以，控制传质步骤的速率常是溶剂和溶质通过植物基质，进入流体相的扩散速率。因此，凡是增加溶剂扩散系数、减小扩散距离和消除扩散障碍的措施都会增加传质速率。流体力学和传递韧性的基础理论的充分运用都有助于对SCFE的传质过程进行分析。
3.2.2.2植物的结构和化学知识的应用．
在用SCF萃取天然植物时，需要依托植物的结构和化学知识，主要原因有二。
(1) 为了提高萃取效率，可用植物结构的知识来决定原料是否先需进行预处理，如研磨、成片，或减小粒度、破坏细胞壁等。图3-22示出了不同的大豆片厚度对萃取率的影响。当大豆片的厚度减小有利于萃取率的提高。当大豆片厚度为0.10mm时，淬取率可达97.4％，而厚度为0.38mm和0.81mm时，则萃取率
分别下降到87％和67％。刨片后使大豆的粒子变小，降低了溶质从基质中出来的扩散距离。更为可能的是大豆片的厚度减小，更多的细胞壁得以破碎，减少了扩散障碍。总之，都有利于萃取率的提高。若因细胞壁中0.81mm
包裹了植物基质中的有效成分，则须用预处理的方法打碎细胞壁，产率和萃取速度两者都会得到显着改善和提升。
(2）为了决定操判条件，在此条件下，使目标组分的萃取速率、浓度和产率最大，使杂质的萃取速率最小，在萃取产品中的浓度和产率也最小。此时，可能就要运用植物的化学知识。
图3-22大豆片厚度与萃取率
P=55.13MPa；T=50℃；流速19/min；可萃取油量52g
极大部分的植物原料含有系列化合物，它们几乎都可溶入SC-CO2中。随着所选用者不同的萃取和分离条件，所得的萃取物可有不同的组成。图3-23示出了一幅某典型天然产物的化学组分的气相色谱图。所含的化合物类别有植物芳香油(essential oil)、高级萜烯酯(higher terpenes ester)、游离脂肪酸、脂肪、蜡、树脂和色素等。当用SC-CO2萃取后，要求得到的萃取物是所有的植物芳香油和蜡、树脂的低沸点馏分组成的产品，并要不含色素。若萃取在60℃和30.0MPa时完成，不仅能够把所有的植物芳香油萃出．而且会把其他的所有组分都萃取出来，产品不能符合要求。如图3-23中斜线3所示。因此，采用进一步分离工艺--多级分离(multi-stage separation)会更加的有效。。当压力下降到10.0MPa时，如图中斜线2所示，所得馏分以富含蜡和树脂为主，称之为第一馏分。当压力下降到6.0MPa时，所得馏分以富含萜烯酯、游离脂肪酸和脂肪为主，称之为第二馏分。余下的就是富含植物
芳香油的第三馏分。若把第一馏分和第三馏分按相应比例混合，则可得到符合要求的萃取产品。
图3-23 典型天然产物的化学组分气相色谱图
通常认为，SC-CO2能有选择地萃取植物芳香油、酯、醇、醛、萜以及蜡和树脂中的轻馏分，而把蜡和树脂中的重馏分、脂肪酸、三甘油酯、叶绿素、色素和其他高分子物质留在萃余萃取相中。与传统的液液萃取用溶剂相比，SC-CO2具有更好的选择性。糖、许多酸和盐基本上不溶于SC-CO2。在许多复杂的场合下，还要考虑到要萃取的组分和植物基体组织结合在一起，如有些生物碱、尼古丁、咖啡因有时会与其他化合物（如柠檬酸、咖啡单宁酸(chlorogenic acid)等）结合形成盐类，造成萃取困难。若采用水为携带剂，则有助于萃取的进行。
3.2.2.3过程设计任务书的主要内容
(1)关键加工条件SC-CO2；萃取生产厂萃取产物的产率和组成由下述三条关键加工条件来决定。
①原料的准备，②萃取条件；②分离条件。
在工业规模厂中的每个产品都应对上述各条件中的参数进行优化。但是在一个有多种产品的厂中，一般是只对主要产品的工艺参数进行优化，然而其他产品则可能在次优化下操作(suboptimalcondition)下操作，这样可以降低初始投资和操作费用。
(2)三种水平的试验过程设计任务书(process design protocol)涉及三种循序渐进水平的试验，即筛选组合装备、过程开发组合装备和中间试验厂等，在这三种试验中要步步深入地确立三条关键加工条件，并保证其实现。
筛选组合装备试验（screening unit testing)主要用来评定过程的技术可能性。在筛选装备中一般只用1个萃取池，体积为60一300mL，1个或2个分离器。从筛选装备中得出的数据是用来评定过程的可行性和产品的质量，并初步定出以下的过程参数。
表3-8 原料制备的过程参数
原料的制备萃取器条件分离器条件
轧碎压力压力
研磨（冷冻研磨）湿度湿度
碾压溶剂/进料比
迅速减压空速
润湿
干燥
分析不同条件下得到的萃取产物组成，并且测定其产率，阐明各种参数变化对萃取物组成和得率的影响，如果筛选结果表明确有技术可行性，则可进入下一试验步骤。
筛选组合装备试验，在国内常称小试。一般情况下，此项试验是三种试验中花费人力、物力最少，时间也相对较短。但此项试验应该仔细从事，力求得出比较可靠的信息，不可有所误导。经验表明，如果此项试验工作范围广泛，条件试验的数据充分、确实，综合分折论
据有力，佐以理论诠释和预测，则大大有利于后续试验的顺利进行。
过程开发组合装备试验（process development unit testing PDU）主要提供关键的操作和过程设计数据，旨在优化过程工况和经济。PDU试验与筛选试验的装备有别，如萃取器体积一般要大两个数量级，即从60-300ml增加到10-20L；要增加二氧化碳的回收循环系统，考察二氧化碳循环的影响;要增加串连的多级分离器，以便研究组分的分级；可添加计算机辅助的数据收集和控制系统。
中间试验厂试验(piolt plant teseing)主要是用来减少放大了的一些不太确定因素(scale-up uncertainty)，旨在验证放大效应。在SC-CO2萃取中间厂的萃取据体积可达
50-200L。中间试验厂的设计要满足以下的检验要求；
①萃取器结构和大小；
②原料粒皮大小和预处理的影响；
③机械设计问题，如在管道中的堵塞或盐析科贮存、物料输送设备以及清洗等。
3.2.2.4工业规模装备的设计考虑
为了达到最优的工业规模装备和经济效益，常要研究若干个设计方案，从中挑选适于建厂的方案。工业装置的设计有两大部分，即过程设计和机械设计。
(1)过程设计和经济评估首先要分析过程开发组合装备试验中所得到的数据。下面举一例子，如何从PDU试验数据发展到SC-CO2萃取工厂的设计。研究对象是天然杀虫剂--除虫菊(pyrethrins)，用超(或亚)临界二氧化碳从除虫菊花(菊花属)中萃取出所需的目标产物。这项工作是由Marc sims提供的，由文献作了报道。图3-24的工艺条件：萃取压力为8.0MPa，萃取时间为3h，在原料中除虫菊的含量为0.8％。由此可知，温度对萃取产物中除虫菊的浓度和除虫菊的回收率都有影响，而且存在着矛盾。当温度在20-30℃时，除虫
菊的回收率达到最高，但接近30℃时就开始下降。20℃时除虫菊的选择性最低。但超过20℃后就单调上升。
图3-24 二氧化碳萃取效果与萃取温度间的关系
图3-25 二氧化碳的萃取效率和生产时间的关系
设计工程师们根据最终产品的要求来决定萃取温度，就比如由萃取物中最低可接受的除虫菊浓度来决定萃取温度。若20％的浓度可以接受，则萃取温度应30℃，若需要更高的依度，则要用分级分离法或再改变操作压力来提高萃取液中除虫菊的浓度。图3-25示出了萃取效率和生产时间的关系。在2h以后，88％的除虫菊得到回收，再增加萃取时间，除虫菊的产率增加不多，但是总的萃取液产率却有显着增加，结果却是稀释了除虫菊，从而降低了它的浓度。说明再增加萃取时间是有害的。这在图3.2.1.6中看得更为清楚。从除虫菊产率和浓度对循环时间的经济衡算中可以决定该设计中的最优生产时间。以上通过PDU试验的数据分析．进一步阐明萃取温度和循环时间的方法。其次
可以采用不同的分级方案。由于原料来源、组成的变化会导致产品的质量不稳定；对一种原料，要谋求不同性质的产品。对以上两种情况都必须采用特殊的加工方案和标准化技术。下面用两个例子加以说明。
图3-26 萃取液中除虫菊的浓度和生产时间的关系
图3-27 藏茴香萃取物的分级分离
另一个例子是用于和湿的二氧化碳二级萃取肉桂(cinnamon)，萃取在30.0 MPa和55℃进行。第一次萃取用的是干二氧化碳，旨在分离出具有调味香料特色的芳香油，第二次萃取用饱和了水的湿二氧化碳，提取佐香料组分，实质上是用水作携带剂。而所得两级萃取产物，可以按顾客所需的不同的需求，从而推出系列产品。
以上示出，既可分级分离，也可分级萃取，根据产物规格要求进行组合，大大地增加了SCFE的适应性。每一种分级过程不仅要有不同的工艺条件、往往也需要不同的设备形状、大小和构形。两级萃取装置需要较长的循环线路，可能要用并联的分离器来承当每一级萃取的分组任务，往往要增加增湿容器等。多级分离需要更多的分离器、加热器和压力控制设备等。
(2)机械设计、结构和开工
①维护保养与可靠性SCFE是高压操作，设备压力在8.0～35.0Mpa之间或更高，设备的压力设计要有一定的设计裕度。不少设备要经常开关，在间歇操作模式情况下更为突出，所有压力设备所受应力常有变化，故必须进行应力分析。与之相关的管道、阀等也要进行
应力分析。对旋转和往复型设备中的高压部分选用一定要考虑到摩擦、润滑、速率等问题，而且要减少磨损、泄漏和过早的报废等因素。在日常维护中要尽量减少其离线的时间，如要离线大修，则需将备件用上。设备的高度的可靠性是至关重要的。因为一台设备在循环运行中出现故障，导致停工，原料全都损失，有可能产品也将报废，而且还要加上二氧化碳的损失等。
②运行中的清理工作运行系统中的清理和卫生工作是经常要加以关注的。有的还要进行特殊设计，如在适当的地方安排好管道的断开点，以便进行清洗，而且又要便于拆装，设计和安装中要消除死角消除生物活性物质的积累；清理工作的顺利、合格地进行，不但可以提高效率，而且有利于产品质量的保证，有些情况可以采用在线清理技术
(clean-in-place（CIP）techniques)。
③前处理和后处理有些原料在萃取前要预处理，有些萃取后的残渣要进行后处理。因此在物料贮运设备，如运输带，仓库等设计中一定要牢记上述要求。
④管道及阀门有些萃取物形成粘度很大的油相；有些荤取物中含有不溶性固体物质；也有蜡或树脂会在管道、阀门和换热器内发生沉积。二氧化碳本身也有相变，若操作不够注意，它也可能形成液相或成为干冰出现。所以在管道、阀门设计中必须充分考虑如何消除在其中的堵塞问题。
⑤密封和垫片在超临界流体操作系统中密封和垫片是一个特别要注意的问题。即所用的弹性体不能吸收二氧化碳，即使很低的吸收也不太适用，因为在萃取压力下弹性体吸收了二氧化碳。当压力降低时，气体形胀，其体积将超过原体积许多倍。要测定保证弹性体不受过载应力或损坏条件下的卸载压力范围；只有掌握这些数据后，设计出来的密封和垫片，在以后应用中才能方保无虞。那些在高压下吸收了一小部分二氧化碳的面积，在压力卸载后，应进行检验，并将所发现的问题加以解决。二氧化碳不是一种好的润滑流体，所以当用SC-CO2提取食用物品的工厂中，所用的润滑油(脂)都要符合食品厂中所允许的，如在美国，要用FDA(食品药物管理局)为食品工厂已批准的润滑油(脂)。
⑥结构材质纯二氧化碳并没有特殊的腐蚀，但其中加了水、有机酸等携带剂或共溶剂后，就会存在疲劳腐蚀问题。在设计中要注意材料的选用。
⑦快速关(闭)开(启)机构用SC-CO2萃取天然植物原料往往采用间歇的萃取设备和换
热器。因此经常需要掀开顶盖，以便加料，移去萃取后的残渣,检查,观察与植物接触的器壁状态，或进行清理等。设计中常会采用快速关、开机构。
⑧建厂计划和开工到目前为止、世界上已有很多SC-CO2的萃取工厂建成。其中大部分厂都因改动设计或设备出现缺陷等导致工程经费追加，包括因开工延期造成经济损失。SC-CO2萃取工厂投资大，所以按时建成、开工对提高经济效益将很有作用。所以，如何促进设计的实现减少装置结构的缺陷，乃至杜绝建厂的拖延等都是建厂管理工作的重要组成部分。签订“交钥匙(turn key)”的建厂合同在今后的SC-CO2二氧化碳萃取厂的兴建中将会推广，以期按时建成、开工,并能使建厂费用额定在预算之内。
SCFE过程的开发与设计虽然应遵循化工过程开发与设计规律，但SCFE过程也有其特点。以上的介绍将会使读者能经常性的了解该过程的特点，这在学习和实践过程中都会有所受益。
Novak和Robey也报道了有关香料、调味品等产品的商用工厂的设计，他们用的是专利数据。在此很好地作了SCFE工厂设计中经济考虑的讨论。说明了工厂规模对投资和操作费用的影响。基本设计规模是两只973L的萃取器，每年处理800吨植物原料（香(药)草等）。
3.2.3 设计所必须的实验研究
超临界流体萃取过程虽已有工业化的装置，但为数并不多。该过程的设计、优化和控制尚处在过程开发阶段。某些关键过程参数(key process parameters)的影响需要实验测定，以便能开发出仿真和最优化设计用的更严密的模型。
因为SCFE过程典型地涉及许多复杂的化合物，没有相平衡和传质的基础数据可供应用。因此，许多研究者不得不在过程开发时自产实验研究，下面介绍一些实际事例。
3.2.3.1 萃取酸枣仁皂苷类成分
酸枣仁皂苷的萃取，示意图见图3-28将酸枣仁药材粉碎至约24目，取100g置超临界萃取釜中，升温至设定温度；启动泵一，萃取釜升压至设定压力。通过泵二向萃取釜中加入夹带剂。通过调节阀门使分离釜Ⅰ压力为6Mpa、温度为45％，分离釜Ⅱ压力为5Mpa、温度为35℃，循环萃取。萃取结束后，从分离釜Ⅰ和分离釜Ⅱ得到提取物。
图3-28 萃取流程示意图
超临界二氧化碳提取物中酸枣仁皂A 的测定：精密取酸枣仁提取物适量，置10ml量瓶中，加入甲醇至刻度，超声处理5min使溶解，摇匀，滤过，取滤液，作为供试品溶液。精密吸取供试品溶液和对照品溶液各10μL，注入液相色谱仪，测定，计算收率。精密度及回收率考察，精密吸取对照品溶液10μL，8 h 内测得峰面积RSD 为1.33% ( n=5) ；测定平均加样回收率为96.23%，RSD为1.86% ( n=6)。超临界二氧化碳萃取压力考察影响超
临界萃取效果的主要因素有萃取压力、萃取温度、萃取时间、夹带剂等。首先考察超临界二氧化碳萃取压力对提取效果的影响。
以95%乙醇为夹带剂，其与药材投料量比例为1：1( V/w)，萃取温度50℃，萃取时间3h，二氧化碳体积流量为5 L/min。在15.0～40.0Mpa范围内进行超临界二氧化碳萃取，测定酸枣仁皂苷A收率。结果见图3-29。结果表明，萃取压力为35.0MPa 即可。
超临界二氧化碳萃取温度考察萃取压力为35.0MPa，其他萃取条件同上面一项。在30～60％范围内进行超临界二氧化碳萃取测定酸枣仁皂苷A收率。结果见3-30。结果表明，萃取温度为45℃即可。超临界二氧化碳萃取时间的考察，萃取温度为45℃，其他萃取条件同其他项。
在1～5 h范围内进行超临界二氧化碳萃取，测定酸枣仁皂苷A收率。结果见图3-31。结果表明，萃取时间为3h即可。二氧化碳体积流量考察，萃取时间为3h，其他萃取条与上相同。
在二氧化碳体积流量为2～20 L/min 范围内进行超临界二氧化碳萃取，测定酸枣仁皂苷A收率。结果见图3-32。结果表明，萃取时二氧化碳体积流量为6L/min 即可。夹带剂种类考察，加入夹带剂，有利于提高超临界相的极性，从而提高所需提取成分的收率。
萃取条件同以上，考察无夹带剂、甲醇、95％乙醇、正丁醇超临界二氧化碳萃取效果。结果见图3-33。结果表明，不加夹带剂，酸枣仁皂苷A收率较低，其余三者提取效果相当。考虑到安全性和生产成本等，选择夹带剂为95%乙醇即可。
夹带剂用量考察以95％乙醇为夹带剂，考察不同用量对酸枣仁皂苷A收率的影响。结果见图3-44。结果表明，夹带剂与药材投料量比例为1：1( v/w) 即可。
综上所述，超临界二氧化碳萃取酸枣仁皂苷类成分的最佳工艺条件为: 萃取压力为
35.0MPa，萃取温度为45℃，二氧化碳体积流量为6L/min，以95％乙醇为夹带剂，其与药材投料量比例为1：1( V/w)，循环萃取3h即可[6]。
图3-30萃取温度对酸枣仁皂苷A收率的影响（n=3）
图3-31 萃取时间对酸枣仁皂苷A收率的影响（n=3）
图3-32 二氧化碳体积流量对酸枣仁皂苷A收率的影响（n=3）
1 无夹带剂2甲醇3 95％乙醇4 正丁醇
图3-33 夹带剂的种类对酸枣仁皂苷A收率的影响（n=3）
图3-34 夹带剂对酸枣仁皂苷A收率的影响（n=3）
3.2.3.2 从咖啡豆中提取咖啡因
SC-CO2提取咖啡因已实现工业化。在此过程中Brunner[7][8]曾用实验研究的方法以助设计的进行。从湿润的、熔挠过的咖啡豆中萃取咖啡因，为设计好半间歇的萃取装置，要掌握各种工艺参数影响萃取率的情况，brunner研究了溶剂比、萃取时间和萃取率间的关系(图3-35)。若对30min和240min两种萃取时间所得的结果进行比较，在相同的溶剂比时，30min的萃取率要大得多，萃取率也随溶剂比的增加而迅速增加，溶剂比达90时才逐渐放缓。而在240min时，溶剂比达30时萃取串己不再明显增加。由此可以推想，咖啡豆内的咖啡因扩散限制了萃取率。一旦在咖啡豆外缘的咖啡因萃取殆尽后，只有从内部扩散出的咖啡因才能涪于二氧化碳之中，因此就大大降低了萃取率。
图3-35 咖啡因萃取量与溶剂比的函数
3.2.3.3 从姜黄中萃取姜黄素
姜黄素又分为去二甲氧基姜黄素，去甲氧基姜黄素和姜黄素。姜黄素的主要提取方法可分为有机溶剂提取法和水提取法。现有的提取方法在提取回收溶剂的过程中姜黄素容易发生降解。超临界二氧化碳萃取技术作为一种新型绿色分离技术，可以有效地从姜黄中提取获得高纯度的姜黄素。超临界二氧化碳萃取技术设备操作简单，安全可靠，无环境污
二氧化碳的实验室制法----教案
《二氧化碳的实验室制法》教学设计、教材分析： 教材在学习了氧气的实验室制法的基础上安排了二氧化碳的 实验室制法。这样安排可以使学生对氧气的认识得到巩固、补充和深化，通过小结氧气的实验室制法来总结出实验室制取气体的思路和方法。可以使学生分析问题、解决问题的能力、认识事物过程的能力得到发展和提高。从而为学生以后研究、探讨其它气体的实验室制法，指明了正确的学习顺序。 、设计思想： 因为本节课的重要性和典型性，在教学中力求做到以学为主， 学生是学习的主人，在教学过程中，教师是学习的组织者和引导者，建设一个以学生动脑、动口、动手的和谐的学习氛围，给学生在时间和空间上提供广阔的教学天地来培养学生的成功感，从而培养学生终身学习的能力。 、教学目标： 1．知识目标： 1)、通过分析氧气的实验室制法，使学生了解在实验室内制 取气体的方法和设计思路。 2)、探讨二氧化碳的实验室制法，使学生掌握实验室制取 氧化碳的原理和实验装置。 2．能力目标： (1) 、通过对氧气、氢气实验室制法的分析，培养学生对知识
的归纳总结能力。 2）、通过研讨二氧化碳的实验室制法来提高学生分析和解决 实际问题的能力。 3．情感目标： 1）、通过对气体实验室制法的设计思路和方法的归纳总结， 培养学生开阔的思维和思想。 2）、通过对二氧化碳实验室制法的研究和探讨，来激发学生 的学习欲望，创建一个和谐民主的学习氛围。 四、教学重点： 实验室制取二氧化碳的化学反应原理、实验装置和制取方法。 五、教学难点： 从实验室制取气体的设计思路出发，学习二氧化碳的实验室 制取方法。 六、教学关键：实验室制取气体的设计思路 七、教学方法：实验探索、分析、对比、讨论、归纳等启发式教 学方法。 八、学生学法：学生比较、分析、归纳、总结的方法 九、教学手段：多媒体教学、教师演示实验（第二课时学生在实 验室分组演示） 、教学过程：学习目标：学习目标的展示让学生明确本节课的具体的学习目标和任务。 回忆：
《二氧化碳的实验室制法》教学设计
《二氧化碳的实验室制法》教学设计 【设计思路】：本课学习实验室中如何制取二氧化碳，从而总结出实验室制取气体的思路。是研究二氧化碳的性质和用途的基础并给以后制取其它气体提供了思路，在本节课的教学中，我充分利用了STS 教育的思想和理论，使科学、技术与社会融为一体，从而更好的培养学生的环保意识，创新精神和实践能力。 【教法处理】：以学生分析、探究、实践为主，以教师提示、启发、辅导为辅。 【教学目标】： 1.知识与技能： （1 了解实验室中制取CO2的反应原理。 （2探究实验室中制备C02的装置。 （3了解实验室中制取气体的思路与方法。 （ 4 提高学生的动手能力和分析资料、推理判断的能力。 2.过程与方法：能合理使用课堂资料，并会利用这些资料设计实验方案。 3.情感态度与价值观：从寻找药品、设计装置和制取气体的过程中获取成就感，进一步增强学习化学的自信心。从化学原理与实际生活的联系中，增强学生的环保意识、创新精神和实践能力。 【教学重点、难点】： 探究实验室制取C02的方法，并制取C02. 【教学流程】： 课题导入---- 提出问题 --- 搜集资料---- 分析判断---- 实验探究---- 交流总结 【教具准备】：教师用具：多媒体、石灰水、酚酞、无色透明的塑料瓶（碳酸钠、石灰石、稀盐酸、稀硫酸、浓盐酸）。 学生用具：（1）仪器：锥形瓶、烧杯、大试管、集气瓶、长颈漏斗、（带导管的）双孔塞及单孔塞、带塞子的弯导管、盛水的烧杯（代替水槽）、酒精灯。 （2）药品：石灰石、稀盐酸、稀硫酸、澄清的石灰水、木条。 【教学过程】： 课题导入：教师表演魔术（向澄清的石灰水中滴入几滴酚酞，将变红的溶液倒入盛有二氧化碳的无色透明的瓶中，振荡，观察现象。） 【STS理念的运用】运用趣味演示实验，激发学生的兴趣和探究的欲望。引言：我们要表演好这个魔术，重要的是制取一瓶二氧化碳，怎样制取二氧化碳呢？这节课我们就来学习二氧化碳的实验室制法。 板书：二氧化碳的实验室制法 请同学们分组讨论一下：我们要研究清哪些问题，就能顺利的制取二氧化碳了？（学生讨论回答，教师板书记录） 我们首先需要研究的问题是：什么反应可以生成二氧化碳？ 【STS理念的运用】这一环节运用问题讨论法，进行设疑，培养学生分析问题、解决问题的能力，加深学生对问题的理解。 板书：1、反应原理 点燃 ［提问］：我们知道的能生成二氧化碳的反应有哪些？高温 ［回答］：C+O2 === CO2 C+2CuO===2Cu+CO2 点燃 ［提问］：这些反应能用于实验室制取CO2 吗？高温 C+O2 ==== CO2 材料好，反应快但不易收集 C+2CuO====2Cu+CO2 反应慢，需条件高
超临界萃取的技术原理
一、超临界萃取的技术原理 利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，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，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界CO2流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的。 超临界CO2是指处于临界温度与临界压力（称为临界点）以上状态的一种可压缩的高密度流体，是通常所说的气、液、固三态以外的第四态，其分子间力很小，类似于气体，而密度却很大，接近于液体，因此具有介于气体和液体之间的气液两重性质，同时具有液体较高的溶解性和气体较高的流动性，比普通液体溶剂传质速率高，并且扩散系数介于液体和气体之间，具有较好的渗透性，而且没有相际效应，因此有助于提高萃取效率，并可大幅度节能。 超临界CO2的物理化学性质与在非临界状态的液体和气体有很大的不同。由于密度是溶解能力、粘度是流体阻力、扩散系数是传质速率高低的主要参数，因此超临界CO2的特殊性质决定了超临界CO2萃取技术具有一系列的重要特点。超临界CO2的粘度是液体的百分之一，自扩散系数是液体的100倍，因而具有良好的传质特性，可大大缩短相平衡所需时间，是高效传质的理想介质；具有比液体快得多的溶解溶质的速率，有比气体大得多的对固体物质的溶解和携带能力；具有不同寻常的巨大压缩性，在临界点附件，压力和温度的微小变化会引起CO2的密度发生很大的变化，所以可通过简单的变化体系的温度或压力来调节CO2 的溶解能力，提高萃取的选择性；通过降低体系的压力来分离CO2和所溶解的产品，省去消除溶剂的工序。 在传统的分离方法中，溶剂萃取是利用溶剂和各溶质间的亲和性（表现在溶解度）的差异来实现分离的；蒸馏是利用溶液中各组分的挥发度（蒸汽压）的不同来实现分离的。而超临界CO2萃取则是通过调节CO2的压力和温度来控制溶解度和蒸汽压这2个参数进行分离的，故超临界CO2萃取综合了溶剂萃取和蒸馏的2种功能和特点，进而决定了超临界CO2萃取具有传统普通流体萃取方法所不具有的优势：通过调节压力和温度而方便地改变溶剂的性质，控制其选择性；适当地选择提取条件和溶剂，能在接近常温下操作，对热敏性物质可适用；因粘度小、扩散系数大，提取速度较快；溶质和溶剂的分离彻底而且容易。从它的特性和完整性来看，相当于一个新的单元操作，因此引起了国内外的广泛关注。二、超临界萃取的特点
超临界二氧化碳萃取的过程及设备教学教材
超临界二氧化碳萃取的过程及设备
3.2 超临界流体萃取过程的设计与开发 除了在一些食品提取工业中实现超临界流体萃取的工业化外，其在高附加值产品分离中也展现出新的活力，特别是在制药工业中，其重要性也日显增加。尤其是随着有关毒性物质排放越来越受到严格限制，SCFE的使用范围也会日渐扩大。但是SCFE的使用可行性是与过程的规模、产品的价值、是否需用无毒溶剂的一些因素有关。因此，只有进行周密的设计后，才能定量权衡上面提出的种种因素。一旦得出具有可行性的设计，便会吸引到企业界和研究者的重视和关注。 当前，不仅仅是国外的一些学者和专家作了扼要而实用的综述[1]，而且在国内召开的“超临界流体技术学术及应用研讨会”上有多篇论文专门讨论了SCFE 的工艺与设备设计。早八十年代就出现了SCFE过程设计和开发的报告，近30年间，有关SCFE的设计研究还在不断进展，逐渐完善。有些产品，如真菌脂质的提取，不仅要作SCFE的过程设计，而且还要作其他单元操作，如对液液萃取的设计进行比较，从经济上确定何种过程有优势，从而便于在进一步的投资中作出判断。可以说，目前SCFE已如其他比较成熟的单元操作一样,设计、仿真和优化(design,simulation and optimization)的工作已全面开展，这也从-个侧面表明SCFE的实用性正在受到越来越多的科技工作者的关注。 3.2.1 超临界流体萃取工业装置的开发步骤 图3-16示出了任一扩散分离过程科学开发的流程示意图。在步骤2中确定所涉及物料的特征后，一般情况下，若选用传统的分离单元操作，如蒸馏、液液萃取等，往往是凭设计者的经验来选定，较少采用预设计的方法。在开发过程中直接进行实验研究。但SCFE是新技术，对其了解不多。为了能和其他分
教案示例：二氧化碳的实验室制法
教案示例：二氧化碳的实验室制法之一 教学目标 1．使学生掌握实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置和操作方法，提升学生分析和解决实际问题的水平。 2．简要介绍泡沫灭火器的原理，使学生对灭火和灭火器有大致印象。 实验准备 1．学生每组2人，事先备好相关的实验仪器。药品有大理石（碳酸钙）、碳 酸钠溶液、稀盐酸溶液、稀硫酸溶液。 2．教师应备好磁性小黑板一块、气体发生装置和收集装置图六幅，投影片一张（列表比较氧气、氢气和二氧化碳的实验室制法）。 教学过程 【引言】上节课学过二氧化碳的实验室制法，本节课再作进一步的研讨。先请同学们回答以下问题。 1．实验室里用什么药品制取二氧化碳？写出相关反应的化学方程式。 【回答】实验室里用稀盐酸跟大理石（或石灰石）反应来制取二氧化碳。 CaCO3＋2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O 2．请一位同学向大家介绍你所做过的两个家庭小实验：①纯碱跟醋酸反应。 ②鸡蛋壳跟盐酸反应。你在实验中看到哪些现象，得出什么结论？ 【回答】①纯碱跟醋酸反应，产生二氧化碳气体。它使点燃的蜡烛火焰熄灭。 ②鸡蛋壳跟盐酸反应，产生的气体使澄清石灰水浑浊，说明生成的气体是二氧化碳。鸡蛋壳的主要成分是碳酸盐。 【讲解】纯碱（碳酸钠）、大理石、鸡蛋壳（主要成分是石灰石）都是碳酸盐。盐酸、醋酸都是酸。碳酸盐跟酸反应会生成碳酸，碳酸不稳定，容易分解，生成二氧化碳。这就是实验室制取二氧化碳的反应原理。 【板书】 一、实验室制取二氧化碳的反应原理 反应原理：碳酸盐跟酸反应，生成二氧化碳。
【讨论】是不是任何碳酸盐和任何酸都能作实验室制取二氧化碳的药品？ 【设问】实验室制取二氧化碳时，能不能把碳酸钙换成碳酸钠，能不能用硫酸代替盐酸？这是上一节课布置给同学们思考的问题。现在请大家动手做实验，通过观察实验现象、来分析解决这个问题。 【实验】(1)将石灰石分别加入盛有稀盐酸、稀硫酸试管中，观察发生的现象 （两支试管同时做对比实验）。 (2)将石灰石和碳酸钠分别加入盛有稀盐酸的两支试管中，观察发生的现象。【提问】请两位同学分别描述实验中看到的现象。 【回答】(1)石灰石跟稀盐酸反应，产生大量气泡。石灰石跟稀硫酸反应，开 始有气体产生，过一会儿气泡逐渐减少，以至反应停止。 (2)碳酸钠跟稀盐酸反应十分剧烈，迅速产生大量气体。石灰石跟稀盐酸反应比碳酸钠缓和，也能生成大量气体。 【讲解】从上述两个实验可知，用硫酸代替盐酸跟石灰石反应，虽能产生二氧化碳，但是生成的硫酸钙微溶于水。它会覆盖在块状石灰石表面，阻止碳酸钙跟硫酸接触。而碳酸钠跟盐酸反应太快，生成的二氧化碳不容易收集。所以，实验室里通常是用石灰石跟稀盐酸反应来制取二氧化碳的。 从上述分析能够看出，研究制取气体的反应原理时，不但要看该反应能不能发生，还要考虑到所选择的药品能不能顺利地制取气体。在家庭小实验中，同学们已经了解醋酸也能跟碳酸钙反应，产生二氧化碳。但是醋酸是弱酸，反应较慢，实验室也不采用。可见对具体问题要作具体分析，灵活掌握。 【板书】在实验室里常常用石灰石（或大理石）跟稀盐酸反应来制取二氧化碳：CaCO3+2HCl CaCl2＋CO2↑十H2O 【练习】选择合适的药品和仪器装置，分别制取氧气、氢气和二氧化碳。将准确的答案填在下表空格中。 提供选择的药品有石灰石、碳酸钠溶液、氯酸钾、高锰酸钾、锌粒、铜片、稀硫酸、稀盐酸。 提供选择的仪器装置如下：
超临界二氧化碳萃取技术
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T 0和临界压力P 。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。
二氧化碳的实验室制法教学设计
二氧化碳的实验室制法教学设计Teaching design of carbon dioxide laboratory method
二氧化碳的实验室制法教学设计 前言：小泰温馨提醒，化学是自然科学的一种，主要在分子、原子层面，研究物质的组成、性质、结构与变化规律，创造新物质。是一门以实验为基础在原子层次上研究物质的组成、结构、性质、及变化规律的自然科学。本教案根据化学课程标准的要求和针对教学对象是 初中生群体的特点，将教学诸要素有序安排，确定合适的教学方案的设想和计划、并以启 迪发展学生智力为根本目的。便于学习和使用，本文下载后内容可随意修改调整及打印。 一.知识教学点。 二.重、难、疑点及解决办法 1.重点：实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置和制取 方法。 2.难点：从实验室制取气体的设计思路出发，学习二氧化碳 的实验室制取 方法。 3.疑点：实验室制取二氧化碳，为什么不能用稀硫酸？ 4.解决方法 （1）采取讨论的形式，从学生学过的氧气和氢气的实验室 制法，归纳和总结出气体实验室制法的设计思路和方法。。 （2）通过演示和补充实验，组织学生分析讨论二氧化碳的 实验室制取方法，使学生掌握实验室制取二氧化碳的原理，提高 学生分析和解决实际问题的能力。 三.教学步骤 （一）明确目标
1.联系实验室制取氧气、氢气，学会实验室制取气体的一般方法。 2.掌握实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置、使用的药品、仪器名称和收集方法。 （二）整体感知 本节主要采用讨论的形式，使学生掌握。 （三）教学过程 [复习提问]：（1）CO2有哪些物理性质和化学性质？ （2）实验室制取H2、O2的反应原理是什么？ [小结]：实验室制取氧气的原理是利用高锰酸钾或氯酸钾（用二氧化锰作催化剂），在加热条件下得到氧气。实验室制取氢气的原理是用金属锌和稀硫酸（或稀盐酸）反应得到氢气。 [教师活动]：投影出制取H2、O2的几套装置图，通过讨论得出这些装置图的适用范围： （1）当用固体反应，需要加热产生气体时，可采用制取氧气的装置； （2）当用固体与液体反应，不需加热就能生成气体时，可采用制取H2的装置（注意该气体难溶于水或酸）。 [提问]： （1）在实验室如何收集H2和O2，根据它们什么性质？ （2）如何检验H2和O2？ [学生活动]：通过讨论得出以下结论：
二氧化碳超临界萃取技术
超临界CO2萃取装置 该装置主要由萃取釜、分离釜、精镏柱、CO2高压泵、副泵、制冷系统、CO2贮罐、换热系统、净化系统、流量计、温度、压力控制（保护）系统等组成。 超临界CO2萃取装置的主要技术指标 萃取釜：0.5L、1L、2L、5L/50Mpa；10L、24L/40Mpa；50-200L/32Mpa,固态两用。配水夹套循环加热，温度可调。 分离釜：0.3-10L/30Mpa；50-100L/16-22Mpa。配水夹套循环加热，温度可调。 精镏柱：内径ф25×2-3m/30Mpa；ф35×2-3m/30Mpa；ф48×4-6m/30Mpa；ф78×4-6m/30Mpa，根据工艺要求可分4节、6节、8节梯度控温；柱内根据工艺要求由用户选相关填料。 CO2高压泵：20L/40Mpa·h双柱塞，50L/50Mpa·h双柱塞调频，400L/40Mpa·h三柱塞调频，800L/40Mpa·h三柱塞调频，泵头带冷却系统。 携带剂泵：用于萃取过程中，夹带溶剂来改变CO2极性，扩大应用范围。 制冷系统：配半封式、全封式压缩机，制冷量满足工艺要求。 换热及温度的控制系统：根据工艺要求,萃取釜、分离釜、精镏柱分别配置换热和温控系统，温度控制-85℃水循环、室温-150℃油循环，温度控制数显双屏控制水浴温度，测试CO2流体温度，控温±1℃ 压力控制（保护）：高压泵出口配电接点压力表，设定工作压力，超压自动保护停泵。高压泵、萃取釜、分离釜、精镏柱，根据最高工作压力，分别配安全阀，超压自动泄压保护。萃取釜出口配背压阀系统，压力稳定，易于调整，压控制精度（动态）±0.1Mpa 流量显示：金属转子流量计，数显远传，分别显示瞬时流量和累积流量 管路：接触流体的容器、阀门、管件、管线均采用不锈钢制作。 其他：电源三相四线制380V/50Hz，CO2食品级≥99.5，用户自备 超临界CO2萃取装置的基本流程 1、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路； 2、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→精镏柱→回路； 3、CO2→萃取釜→精镏柱→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路； 4、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→精镏柱→分离Ⅱ→回路。 超临界CO2萃取装置的特点
二氧化碳的实验室制法
《二氧化碳制取的研究》 学案 西南交通大学附属中学化学组 任 洪编制 班级: 姓名 学习目标 （1）知道实验室制取二氧化碳的反应原理 （2）探究实验室制取二氧化碳的装置 （3）初步了解知道实验制取气体的思路和方法 旧知复习：实验室制备氧气的原理和装置 高锰酸钾制备氧气 双氧水与二氧化锰混合物制备氧气 药品 原理 装置 【探究活动】探究实验室制取气体的装置 实验室制取氧气（ 回忆实验室制取氧气的相关知识填写下表） 【归 纳】 确定气体发生装置时，考虑因素是 和 ； 确定气体收集装置时，考虑因素是 和 。 比较内容 实验室制取氧气 用KMnO 4 用H 2O 2溶液和MnO 2 反应物状态 反应条件 密度与空气比较 是否溶于水
查阅资料知，实验室制备二氧化碳的原理是采用稀盐酸和块状大理石（或石灰石，主要成分都是碳 酸钙）发生反应如下： 【随堂练习】 反应物状态 反应条件 密度与空气比较 溶解性及是否与水反应 氧气 固体与液体 反应 催化剂 比空气略大 不易溶于水且不与水反应 固体与固体 反应 加热 二氧化碳 【讨 论】 实验室制取二氧化碳的装置是否与制取氧气的装置相同？为什么？ 知识点：二、实验室制取二氧化碳的装置 或。 。。。。。。 【随堂练习】试标明提醒处注意事项 【讨 论】利用这套装置如何操作制备二氧化碳呢？
【回顾】实验室制备氧气的正确操作步骤是怎样的？ 【实验】实验室利用块状大理石和稀盐酸制备二氧化碳气体操作： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 【归纳】 a.利用排空气集气发收集氧气时，检验方法： b.利用排空气集气发收集氧气时，验满方法： c.利用排空气集气发收集二氧化碳时，检验方法： d.利用排空气集气发收集二氧化碳时，验满方法： 归纳总结（引导学生作结）作业：完成学案习题。 1、实验室制取二氧化碳原理； 2、实验室制取二氧化碳气体的装置； 3、实验室制取二氧化碳气体的操作步骤； 4、二氧化碳气体的检验和验满
超临界二氧化碳萃取设备操作步骤
SFE-CO2萃取技术操作步骤 一、开机操作 1．开启墙上的总电源（最下面一排右数第二个），面板总电源。开启萃取1、分离1、分离2按钮，设定萃取温度（范围35～60℃，正常约45℃）和分离1温度（范围35～65℃，正常约50～60℃），分离2的温度不动（正常约35℃）。2．看三个水箱的水位离口1至2公分，看水泵是否运转（水面有波动的话一般为转动或查看泵的叶片）。 3．开启面板制冷电源，启动制冷箱（顺时针扭90°，与地垂直）。 4．等萃取分离温度达到设定温度和冷机停时（此时准备向料桶加料），打开阀门1，2（逆时针旋3圈，每圈360°），打开球阀（在主机背面，逆时针扭至水平），关阀门4，5，慢慢打开阀门3，排气（听排气声），使萃取压力为0，打开堵头。 二、装料操作 1．加料：自下而上依次为物料（得率不少于5%，量至少达料筒高度一半，最高离料口2公分）→脱脂棉（圆形，直径比滤网长1公分）→白圈→滤纸→滤网→盖子（注意反正，细口朝下，用专用工具盖紧，能用吊篮提住）。 2．装料筒：自下而上依次为料筒→黑色细O型环→通气环→堵头（内部套黑色粗O型环，用水润湿）。 三、萃取操作 1．关阀门3，慢慢打开阀门4（稍微逆时针扭一下，幅度很小），使萃取1压力与贮罐压力相等。 2．慢慢打开阀门3排气5～10秒，关上。 3．全开阀门4和5（逆时针旋3圈，每圈360°），关阀门6（先顺时针旋2圈），泵电源，即绿灯（泵1调频，频率范围12～18，一般16～18，此时设定开CO 2 为18），按RUN，看萃取1压力，等萃取1压力达到设定压力（最高不超过35MPa，正常20～30MPa，此时设为约25MPa），调阀门6使之平衡，关阀门8，升分离1压力（最高不要超过11MPa，正常8～10MPa，此时设定为10MPa），等分离1压力达到设定压力，调阀门8使之平衡。（注：分离2的压力永远不能关，与贮罐压力相等）看时间开始循环（一般每半小时一个循环）。
二氧化碳超临界萃取技术
二氧化碳超临界萃取技 术 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
超临界CO2萃取装置 ??? 该装置主要由萃取釜、分离釜、精镏柱、CO2高压泵、副泵、制冷系统、CO2贮罐、换热系统、净化系统、流量计、温度、压力控制（保护）系统等组成。 ?超临界CO2萃取装置的主要技术指标 ??? 萃取釜：、1L、2L、5L/50Mpa；10L、24L/40Mpa；50-200L/32Mpa,固态两用。配水夹套循环加热，温度可调。 ??? 分离釜：30Mpa；50-100L/16-22Mpa。配水夹套循环加热，温度可调。 ??? 精镏柱：内径ф25×2-3m/30Mpa；ф35×2-3m/30Mpa；ф48×4-6m/30Mpa；ф78×4-6m/30Mpa，根据工艺要求可分4节、6节、8节梯度控温；柱内根据工艺要求由用户选相关填料。 ??? CO2高压泵：20L/40Mpa·h双柱塞，50L/50Mpa·h双柱塞调频，400L/40Mpa·h三柱塞调频，800L/40Mpa·h三柱塞调频，泵头带冷却系统。 ??? 携带剂泵：用于萃取过程中，夹带溶剂来改变CO2极性，扩大应用范围。 ??? 制冷系统：配半封式、全封式压缩机，制冷量满足工艺要求。 ??? 换热及温度的控制系统：根据工艺要求,萃取釜、分离釜、精镏柱分别配置换热和温控系统，温度控制-85℃水循环、室温-150℃油循环，温度控制数显双屏控制水浴温度，测试CO2流体温度，控温±1℃??? 压力控制（保护）：高压泵出口配电接点压力表，设定工作压力，超压自动保护停泵。高压泵、萃取釜、分离釜、精镏柱，根据最高工作压力，分别配安全阀，超压自动泄压保护。萃取釜出口配背压阀系统，压力稳定，易于调整，压控制精度（动态）±??? 流量显示：金属转子流量计，数显远传，分别显示瞬时流量和累积流量??? 管路：接触流体的容器、阀门、管件、管线均采用不锈钢制作。??? 其他：电源三相四线制380V/50Hz，CO2食品级≥，用户自备 ?超临界CO2萃取装置的基本流程 ??? 1、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路； ??? 2、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→精镏柱→回路； ??? 3、CO2→萃取釜→精镏柱→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路； ??? 4、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→精镏柱→分离Ⅱ→回路。 ?超临界CO2萃取装置的特点
《二氧化碳的实验室制取》教案
二氧化碳的实验室制法 一、教学目标 1知识与技能目标 使学生掌握在实验室中制取二氧化碳的药品、原理、装置、检验及验满等知识，同时培养学生逐步学会分析问题，探究实验，设计实验的能力。 2、过程与方法目标 （1）知道在实验室中制取气体的过程和方法； （2）初步学会运用比较、归纳、概括等方法分析问题，获取信息，初步学会设计实验。 3、情感态度与价值观目标 通过实验激发学生学习化学的兴趣和探究欲望，培养学生进行实验探究的意识和勤于思考的科学精神。 二、教学重、难点 重点：实验室制取二氧化碳的药品、原理、装置、操作及检验和验满的方法。 难点：实验室制取二氧化碳的装置设计与探究。 三、教学用具 实验所需的实验用品：大理石、稀盐酸、集气瓶、玻璃片、澄清的石灰水、大试管、导管、火柴等。 四、教学过程： 【引言】通过对已经学过的制取氧气和氢气了解实验室制取气体的一般思路和方法是： 1. 首先了解在实验室的条件下，用什么药品，通过什么化学反应制取这 种气体。 2. 根据反应物的状态、反应条件和生成气体的物理性质，来设计实验装 置，决定采用什么方法收集。 3. 需要通过什么实验来验证制得的气体就是所要制的气体。 二氧化碳是一种有广泛用途的气体，实验室中如何制取二氧化碳呢？想一想到目前为止，我们在前面的学习中，有哪些化学反应能够放出二氧化碳呢？（学生讨论，并列举学过的可以得到二氧化碳的方法。教师在黑板上逐一记录） 1. 木炭燃烧C+0 2--CO2 2. 蜡烛燃烧石蜡+ 02 --CO 2+H2O 3. 碱式碳酸铜热分解 4. 人或动物的呼吸 【教师】：上述第一个反应中反应物碳价格便宜，但反应前必须制备好氧气，操作麻烦，且收集二氧化碳气体很不方便；第二个反应中反应物蜡烛价格便宜，
最新超临界二氧化碳萃取资料
超临界二氧化碳萃取技术 超临界二氧化碳萃取技术产生于二十世纪五十年代，目前已经广泛应用于食品、能源、医药、化妆品及香料工业。随着中药、天然药物新药研究的发展和中药现代化的不断深入，超临界二氧化碳萃取技术在中药、天然药物活性成分和有效部位的分离和纯化中的应用研究越来越多。由于此项技术在我国起步较晚，在中药新药中应用该项技术的品种较少。为了促进与新药研制单位的沟通和交流，共同探讨超临界二氧化碳萃取技术在中药新药中应用的相关问题，我们对超临界二氧化碳萃取技术在中药新药研究中的应用谈一些个人的看法，抛砖引玉，仅供参考。 一、超临界二氧化碳萃取技术在中药中的应用概况 超临界二氧化碳萃取是以超临界状态（温度31.3℃，压力7.15MPa）下的二氧化碳为溶剂，利用其高渗透性和高溶解能力来提取分离混合物的过程。超临界状态下的二氧化碳，其密度大幅度增大,导致对溶质溶解度的增加,在分离操作中,可通过降低压力或升高温度使溶剂的密度下降,引起其溶解物质能力的下降,可使萃取物与溶剂分离。与一般液体萃取相比，超临界二氧化碳萃取的速率和范围更为扩大，萃取过程是通过温度和压力的调节来控制与溶质的亲和性而实现分离的。 超临界二氧化碳萃取技术具有环境良好、操作安全、不存在有害物残留、产品品质高且能保持固有气味等特点。从20世纪50年代起已开始进入实验阶段，70年代以来超临界二氧化碳萃取技术在食品工业中的应用日趋广泛，80年代超临界二氧化碳萃取技术更广泛地用于香料的提取。进人90年代后，超临界二氧化碳萃取技术开始运用于从药用植物中提取药用有效成分等。我国对超临界流体技术的研究始于20世纪70年代末80年代初，与国外相比虽起步稍晚，但发展很快，在超临界流体萃取、精馏、沉析、色谱和反应等方面都有研究，涉及了化工、轻工、石油、环保、医药及食品等行业，不仅有基础研究，而且有工艺、工程开发。 早在20世纪70年代后期，德国人就采用超临界二氧化碳萃取技术从黄春菊中萃取出有效活性成分，产率高于传统溶剂法。日本学者用超临界二氧化碳对蛇床子、紫草、甘草等进行提取。发现蛇床子中呋喃骈香豆精(furocoumarins)超临界提取的最佳条件是温度为40℃，压力为40MPa，流速为6L／min，夹带剂为乙醇、水或甲醇。不用夹带剂的超临界二氧化碳可将紫草中的紫红色素提出来，并能从东北甘草或西北甘草中提出甘草素(1iquiritigenin)，但提不出带有三个酚羟基的异甘草素(isoliquiritigenin)，不用夹带剂能将甘草查耳酮 A(1icochalconeA)提出，而使用乙醇夹带剂则可将甘草查耳酮B(1icochalcone）提出。 我国研究人员用超临界二氧化碳从丹参中提取丹参酮，其提取率也比传统的溶剂
超临界二氧化碳萃取
超臨界二氧化碳萃取實驗 ㄧ、目的： 了解超臨界二氧化碳萃取原理，並經由實驗探討溫度及壓力對超臨界二氧化碳萃取功效之影響。 二、原理： 單一物質通常具有大家所熟悉的氣、固、液三相，當未達臨界點(critical point)前常可藉由溫度與壓力的增減使物質產生液相與氣相之間的轉變，且相與相之間會有明顯的界面存在。但是一旦壓力到達或超過其臨界壓力(critical pressure, P c)且溫度到達或超過其臨界溫度(critical temperature, T c)時，此液氣兩相的界面不復存在，整個系統呈現一均勻狀態即此物質之超臨界流體(Super Critical Fluid, SCF)狀態(圖一)。 圖一：一般純物質之平衡相圖
在超臨界狀態下，物質的一些基本性質與特性會有所改變。一般而言，超臨界流體的物理性質是介於氣、液相之間的，例如其黏度接近氣體而密度則接近液體。因密度高，可輸送較氣體更多的超臨界流體，因黏度低，輸送時所需的功率則較液體為低。又其擴散係數(diffusion coefficient)高於液體10至100倍以上，亦即質量傳遞阻力(mass transfer resistance)遠較液體為小，此外超臨界流體有如氣體幾乎無表面張力，因此很容易滲入多孔性組織中，在質量傳遞上遠較液體為快。除物理性質外，在化學性質上亦與氣、液態時有所不同。例如二氧化碳在氣體狀態下不具萃取能力，但當進入超臨界狀態後，二氧化碳變成親有機性因而具有溶解有機物的能力，且因其密度接近液體因而具有很好的媒合能力(solvating power)，使得超臨界流體容易進入萃取物中將溶質帶出而成為一個相當優良的溶劑，具有絕佳的萃取效果。 當一溶質分子處於超臨界流體中，若此分子與溶劑間之引力大於溶劑與溶劑間之引力時，該分子會被周圍的溶劑分子所包圍，稱之為群聚效應(clustering effect)；群聚現象目前已被認為是超臨界流體增加溶解能力的主要原因之一。超臨界流體的溶解能力與其密度有直接的關係，而其密度則隨著溫度或壓力的改變 一般流體之壓力-密度平衡相圖；其中壓力是以還原壓力P r(P r=P/P c, reduced pressure)，溫度是以還原溫度T r(T r=T/T c, reduced temperature)，密度則是以還原密度ρr(ρr=ρ/ρc, reduced density)來表示，其中P c、T c及ρc分別代表此物質在其臨界點之臨界壓力、臨界溫度以及臨界密度。一般超臨界流體萃取的操作溫度約在1～1.4 T r之間，壓力則在1～6 P r之範圍內；亦即圖中的SCF的陰影部份。由圖中可知在此範圍只要溫度或壓力稍為加以改變，還原密度ρr就會有很明顯的變化亦即超臨界流體的溶解能力也會有很明顯的變化。因此此陰影部份也是超臨界流體最常使用的操作區域。表一則為CO2的密度與溫度、壓力的關係數據表。 超臨界流體經常應用在萃取、層析、反應、清洗、染色、分離與造粒等各方面。較常見的超臨界流體有二氧化碳、二氧化硫、乙烯、已烷、丙烷、丁烷、庚烷、六氟化硫及氨等，他們的臨界壓力、臨界溫度以及臨界密度各不相同。而其中又以二氧化碳(CO2)為目前最常使用的超臨界流體，因為CO2具有以下的特點： 1.臨界溫度(304.4 K)與臨界壓力(7 2.9 bar)皆不算高，可以在節省操作成本 及能源的條件下輕易就可達其超臨界狀態。 2.臨界溫度低使得操作溫度可以維持在相對低溫的範圍，可減少對熱敏感 物質的破壞。 3.超臨界二氧化碳對許多較低極性之有機物質具有良好的溶解能力，且其 溶解能力可以很方便的經由壓力和溫度的改變，或者添加少量的修飾劑
二氧化碳的实验室制法
《二氧化碳的实验室制法》教学设计 一、教材分析 本节课在全书乃至整个化学学习过程中，有比较重要地位。它为培养学生在实验室中制取某种气体时，对药品的选择、装置的选择、所得气体的检验、实验装置的改进等提供了很好的素材和思路。本节课对学生今后学习元素化合物知识、化学实验基本操作、实验设计及探究能力等都打下良好的基础。 学生在前面已经初步学习了氧气、氢气的实验室制法，具备了一些气体制备的实践经验，各项实验技能也已经具备，学生在前面也学习和了解了二氧化碳的部分物理及化学性质，在此基础上经过讨论类比即可解决。本节学习可关注实验中各种能力的训练。因此，在课堂教学设计中，要充分体现学生主体作用，让学生真正参与到实验探究的过程中。教师提出探究问题引发学生思考，通过小组合作，设计方案、表达交流、实施方案、总结表达等环节完成整个实验探究。 二、教学目标 1.知识目标：通过分析氧气、氢气的实验室制法，使学生了解在实验室里制取气体的方法和设计思路。掌握实验室制取二氧化碳的原理和实验装置。 2.能力目标：通过探究二氧化碳的实验室制法，进一步培养学生的观察能力和实验操作能力，提高学生分析和解决实际问题的能力。 3.情感目标：通过对实验的探究，激发学生的学习兴趣和探究欲，培养学生的合作精神和自主设计实验的能力，以及关注社会问题意识和情感。 三、教学重点难点 重点：实验室制取二氧化碳的化学反应原理、实验装置和制取方法。 难点：从实验室制取气体的设计思路出发，学习二氧化碳的实验室制取方法。 四、教学方法 学生实验探究教学 五、教学用具 仪器：锥形瓶（或广口瓶、大试管）、长颈漏斗，带导管的单孔皮塞、集气瓶、玻璃片、导气管、镊子、药匙、火柴等。 药品：大理石（或石灰石）、碳酸钠粉末、澄清的石灰水、稀盐酸、稀硫酸等。 六、教学流程图
超临界二氧化碳萃取的过程及设备
3.2 超临界流体萃取过程的设计与开发 除了在一些食品提取工业中实现超临界流体萃取的工业化外，其在高附加值产品分离中也展现出新的活力，特别是在制药工业中，其重要性也日显增加。尤其是随着有关毒性物质排放越来越受到严格限制，SCFE的使用范围也会日渐扩大。但是SCFE的使用可行性是与过程的规模、产品的价值、是否需用无毒溶剂的一些因素有关。因此，只有进行周密的设计后，才能定量权衡上面提出的种种因素。一旦得出具有可行性的设计，便会吸引到企业界和研究者的重视和关注。 当前，不仅仅是国外的一些学者和专家作了扼要而实用的综述[1]，而且在国内召开的“超临界流体技术学术及应用研讨会”上有多篇论文专门讨论了SCFE 的工艺与设备设计。早八十年代就出现了SCFE过程设计和开发的报告，近30年间，有关SCFE的设计研究还在不断进展，逐渐完善。有些产品，如真菌脂质的提取，不仅要作SCFE的过程设计，而且还要作其他单元操作，如对液液萃取的设计进行比较，从经济上确定何种过程有优势，从而便于在进一步的投资中作出判断。可以说，目前SCFE已如其他比较成熟的单元操作一样,设计、仿真和优化(design,simulation and optimization)的工作已全面开展，这也从-个侧面表明SCFE的实用性正在受到越来越多的科技工作者的关注。 3.2.1 超临界流体萃取工业装置的开发步骤 图3-16示出了任一扩散分离过程科学开发的流程示意图。在步骤2中确定所涉及物料的特征后，一般情况下，若选用传统的分离单元操作，如蒸馏、液液萃取等，往往是凭设计者的经验来选定，较少采用预设计的方法。在开发过程中直接进行实验研究。但SCFE是新技术，对其了解不多。为了能和其他分离过程作出比较，必须在此前作出预设计或过程仿真、优化，其流程如图3-16所描述。按照科学开发的原则，不管采用何种分离过程，理应先进行仿真，再作实验验证，有利于省时省力。随着计算机的快速发展，图3-16的开发流程，更为开发研究者乐于采用。Lira[2]指出，图3-16中的步骤4和6是决定最终SCFE是否成功的关键。但是没有步骤3和5，更多的优化工作要在实验验证(步骤7)后进行，这就延缓开发进程和花费更多的人力、物力。
4.3 二氧化碳的实验室制法(2)
4.3二氧化碳的实验室制法 一．选择题（共14小题） 1．下列有关二氧化碳的说法正确的是（） A．实验室常用块状石灰石和稀硫酸反应制取二氧化碳气体 B．二氧化碳用于人工灭火，既利用了它的物理性质也利用了它的化学性质 C．将二氧化碳气体通入紫色石蕊试液中，溶液呈红色，说明二氧化碳显酸性 D．将燃着的木条伸入一瓶气体中，木条立即熄灭，证明瓶内原有气体就是二氧化碳2．下面是实验室依次制备，收集，验证、验满CO2的装置，其中正确的是（） A．B．C．D． 3．实验室制取CO2的有关操作如下图，不正确的是（） A．检查气密性B．制气 C．收集D．验满 4．实验室制取CO2有以下步骤：①连接好装置；②向试管中小心放入几小块石灰石；③向试管中小心注入适量稀盐酸；④检查装置的气密性；⑤收集产生的气体；⑥用燃烧的木条检验集气瓶是否收集满CO2，以上操作按由先至后的顺序排列正确的是（） A．①②③④⑤⑥B．①④②③⑤⑥C．①③②④⑤⑥D．③①②④⑤⑥ 5．下列有关实验室制取气体的说法错误的是（）
A．装置①可作为CO2的发生装置 B．装置②干燥O2时，气体由a管进b管出 C．装置③可用作O2的收集装置 D．装置④是收集CO2气体的验满方法 6．下列各项实验中，所用试剂及实验操作均正确的是（） A．制取CO2B．加热固体 C．制取氧气D．除去O2中的水蒸气7．有关CO2的实验中，能达到实验目的是（） A．将燃着的木条伸入集气瓶中，检验CO2是否收集满 B．用向上排气法收集一瓶CO2气体，观察CO2的颜色 C．将CO2气体通入紫色石蕊试液中，证明CO2溶于水显酸性 D．将呼出气体通入CaCl2溶液中，可以看到有白色沉淀生成 8．证明汽水中含有CO2气体，最合理的做法是（）
九年级化学二氧化碳的实验室制法复习题
第四单元第二节二氧化碳的实验室制法（北京课改版） 一、选择题（每小题2分，共20分） 1、实验室制取二氧化碳，应选用的药品是（） A、高锰酸钾 B、木炭和氧气 C、大理石和稀盐酸 D、高温煅烧石灰石 2、实验室制取二氧化碳，不选用的仪器是（） A、长颈漏斗 B、酒精灯 C、集气瓶 D、导管 3、下列有关实验室制取二氧化碳的叙述中，正确的是（） A、用稀硫酸和大理石反应来制取 B、加热石灰石使其分解来制取 C、用稀盐酸与大理石反应来制取 D、用向下排空气法收集二氧化碳 4、实验室制取二氧化碳时，向盛有石灰石的容器中加入稀酸后，过一会儿石灰石表面几乎无气泡产生，其原因可能是（） A、发生装置的气密性不好 B、没有加热 C、石灰石中含有碳酸钙较少 D、加入的是稀硫酸 5、实验室制备并收集二氧化碳，通常有以下操作步骤：①检验装置的气密性；②连接装置； ③装入大理石；④加入稀盐酸；⑤收集气体；⑥验满。排列顺序正确的是（） A、①②③④⑤⑤ B、②①④③⑤⑥ C、②①③④⑤⑥ D、②③④①⑤⑥ 6、家庭厨房使用的纯碱是一种含钠的化合物，将盐酸加入纯碱中，会放出一种能使澄清石灰水变浑浊的无色无味的气体，由此可推知这种化合物是下列物质中的（） A、NaCl B、Na2CO3 C、NaOH D、NaClO 7、确定某种气体的实验室制法，不需要考虑的是（） A、反应的需要的药品和反应条件 B、实验装置 C、气体的验证 D、气体的用途 8、检验生石灰中是否含有未烧透的石灰石，最简便的方法是（） A、看白色粉末中是否含有块状固体 B、取少量样品加入盐酸中，看是否有气泡 C、取少量样品加入少量水中，看是否有不溶物 D、取少量样品在试管中加热，看是否有气泡 9、实验表明，不能用块状大理石与稀硫酸反应制取二氧化碳，而能用大理石粉末与稀硫酸反应制取二氧化碳。由此得出的合理结论是（）
二氧化碳的实验室制法教案
二氧化碳的实验室制法 福清侨中化学组何宗惠 知识、能力、情感态度价值目标 1．使学生掌握实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置和操作方法，提高学生分析和解决实际问题的能力。 2．简要介绍泡沫灭火器的原理，使学生对灭火和灭火器有大致印象。结合实际进行安全应急处理等教育 实验准备 1．学生每组2人，事先备好有关的实验仪器。药品有大理石（碳酸钙）、碳酸钠溶液、稀盐酸溶液、稀硫酸溶液。 2．教师应备好小黑板一块、气体发生装置和收集装置图六幅，列表比较氧气、氢气和二氧化碳的实验室制法）。 教学过程 【引言】上节课学过二氧化碳的实验室制法，本节课再作进一步的研讨。先请同学们回答以下问题。 1．实验室里用什么药品制取二氧化碳？写出有关反应的化学方程式。 【回答】实验室里用稀盐酸跟大理石（或石灰石）反应来制取二氧化碳。CaCO3＋2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O 2．请一位同学向大家介绍你所做过的两个家庭小实验：①纯碱跟醋酸反应。②鸡蛋壳跟盐酸反应。你在实验中看到哪些现象，得出么结论？ 【回答】①纯碱跟醋酸反应，产生二氧化碳气体。它使点燃的蜡烛火焰熄灭。 ②鸡蛋壳跟盐酸反应，产生的气体使澄清石灰水浑浊，说明生成的气体是二氧化碳。鸡蛋壳的主要成分是碳酸盐。 【讲解】纯碱（碳酸钠）、大理石、鸡蛋壳（主要成分是石灰石）都是碳酸盐。盐酸、醋酸都是酸。碳酸盐跟酸反应会生成碳酸，碳酸不稳定，容易分解，生成二氧化碳。这就是实验室制取二氧化碳的反应原理。 【板书】 一、实验室制取二氧化碳的反应原理 反应原理：碳酸盐跟酸反应，生成二氧化碳。 【讨论】是不是任何碳酸盐和任何酸都能作实验室制取二氧化碳的药品？ 【设问】实验室制取二氧化碳时，能不能把碳酸钙换成碳酸钠，能不能用硫酸代替盐酸？这是上一节课布置给同学们思考的问题。现在请大家动手做实验，通过观察实验现象、来分析解决这个问题。 【实验】(1)将石灰石分别加入盛有稀盐酸、稀硫酸试管中，观察发生的现象（两支试管同时做对比实验）。 (2)将石灰石和碳酸钠分别加入盛有稀盐酸的两支试管中，观察发生的现象。 【提问】请两位同学分别描述实验中看到的现象。 【回答】(1)石灰石跟稀盐酸反应，产生大量气泡。石灰石跟稀硫酸反应，开始有气体产生，过一会儿气泡逐渐减少，以至反应停止。 (2)碳酸钠跟稀盐酸反应十分剧烈，迅速产生大量气体。石灰石跟稀盐酸反应比碳酸钠缓和，也能生成大量气体。 【讲解】从上述两个实验可知，用硫酸代替盐酸跟石灰石反应，虽能产生二氧化碳，但是生成的硫酸钙微溶于水。它会覆盖在块状石灰石表面，阻止碳酸钙跟硫酸接触。而碳酸钠跟盐