活塞料倉鏈式超臨界流體連續萃取器結構設計

祝勇仁 -

超臨界流體萃取技術(Supercritical Fluid Extraction，SFE)是近些年發展起來的一種新的分離技術[1]，其原理是根據待分離物質在超臨界流體中溶解度的差異萃取特定成分，以達到某種分離提純的目的[2]。超臨界流體萃取在各行業的應用發展十分迅速[3]，目前在食品、醫藥、煙草、植物以及石油化工領域已得到廣泛的應用[4-6]。由于二氧化碳(CO2)的臨界溫度(Tc=31.26 ℃)接近室溫，臨界壓力(Pc=7.38 MPa)也不高，具有很好的擴散性能，較低的表面張力，無毒、無味、不易燃、易于獲得和可循環使用的特點，因此超臨界CO2流體得到了廣泛的應用[7]。各國對SFE工藝的研究雖然取得了不少的進步，但在SFE設備方面的研究相對滯后，萃取需要進、卸料操作，是一種間歇性工藝過程，為提高萃取能力，實現連續萃取，應從萃取工藝和設備入手，進行深入研究。目前這一研究已成為國內外的新興課題，主要集中在利用多個萃取釜的并聯操作實現工藝上的連續萃取。Wanyne R等[8]在閉路管線中通過切換機械閥門的方式對連續萃取工藝做了進一步的完善，劉欣等[9]設計了一種連續螺旋輸送機進料的SFE設備，Topolkaracv V A等[10]則采用了雙螺旋桿結構，王魏強等[11]發明了球式連續萃取裝置，實現了工藝設備的連續化操作，對工業化應用起到了促進作用。現有采用快開結構的間歇式超臨界流體萃取器存在裝卸料時間長、開合過程能量損失，一旦快開結構自鎖失靈極易產生安全事故等問題。前述實現連續化萃取的設備還存在工藝和設備結構復雜，螺旋輸送的給卸料器在傳送過程中易堵塞、對萃取物摩擦破壞較嚴重等問題，限制了工程應用的進一步推廣。為解決上述問題，擬研究工藝可行和設備制造簡便的一種活塞倉式的萃取裝置，采用連續進卸料方式實現連續萃取，提高萃取效率。為實現上述目標，需解決活塞倉式的萃取釜在萃取高壓下的往復動密封、密封泄露和密封體磨損問題，根據連續萃取工藝的需要，通過設置多個活塞倉，把萃取物料放入活塞倉形成活塞料倉鏈，實現連續萃取。根據試驗分析，對活塞料倉鏈式的連續萃取器進行結構設計。

1 密封方式對密封動壓力的影響

活塞料倉鏈式的連續萃取器由多個活塞料倉萃取釜組成，單個活塞料倉在筒體內運動需滿足動密封的要求，參考往復式壓縮機的動密封結構[12]，在活塞料倉兩側設置O形圈，采用多道密封的方式進行密封，由于液相連續給料方式較固相易于實現，本次設計以在固相萃取的基礎上進行研究，由于固體粉料在往復運動的過程中對密封圈會造成較嚴重的磨損，因此擬設計一種V形粉塵阻擋圈，減少對密封材料的磨損影響，提高活塞料倉的使用壽命。設計如圖1(a)所示的活塞密封溝槽結構進行試驗，兩側的端蓋起到活塞的作用，根據GB/T 3452.3—2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》標準，該結構屬于徑向密封。設計活塞外徑φd9=60 mm，溝槽寬度b=4.8 mm，溝槽深度t=2.85 mm，O形圈截面直徑3.55 mm，筒體φd4與活塞φd9采用H8/h7配合，活塞的3個密封溝槽均可安裝O形圈，左右溝槽還可以裝V形粉塵阻擋圈，端蓋與密封溝槽螺紋連接。

1.1 密封材料對動密封壓力的影響

根據文獻[13]，選用丁腈橡膠、氟橡膠和聚氨酯作為往復動密封壓力試驗的O形橡膠圈材料，由于流體溫度對動密封壓力的影響較小，因此試驗在常見的萃取溫度范圍40～60 ℃ 下進行測定。把3種不同材料的O形橡膠圈分別放在

1. 端蓋 2. 密封溝槽 3. 筒體 4. O形圈圖1 活塞試驗示意及密封結構Figure 1 Piston test signal and seal structure

兩側溝槽內雙道密封[見圖1(b)]，用超臨界CO2流體進行動密封壓力和磨損行程測定，得到如圖2所示的關系曲線。由圖2可知，O形圈的動密封壓力隨磨損行程的增加趨于穩定，密封壓力逐漸下降，聚氨酯的動密封壓力最高，穩定在12 MPa 左右，氟橡膠次之，約10.6 MPa，丁腈橡膠最低約8.8 MPa，且氟橡膠試驗后出現嚴重的溶脹現象，而聚氨酯則無明顯變化，綜合而言，應選用聚氨酯作為動密封材料。

圖2 不同材料下密封壓力與磨損行程曲線Figure 2 Sealing pressure and wear trip curve of different materials

1.2 密封圈數對動密封壓力的影響

再用單道聚氨酯O形圈進行往復動密封壓力測定[見圖1(c)]，與雙道密封相比，得到密封壓力與磨損行程的曲線見圖3。

圖3 不同密封圈數下密封壓力與磨損行程曲線Figure 3 Sealing pressure and wear trip curve of different sealing rings

由圖3可知，單道聚氨酯O形圈密封壓力與雙道密封呈現出類似的效果，即初始密封壓力較高，隨著磨損行程的增加，密封壓力趨于穩定(8.3 MPa左右)，其穩定密封壓力比雙道密封低約3.7 MPa。

1.3 V形粉塵阻擋圈對動密封壓力的影響

試驗顯示聚氨酯材料具有高度的耐磨性，但長時間的使用，固體顆粒仍會對其產生磨損，影響動密封壓力。根據GB/T 9877—2008《旋轉軸唇形密封圈》，設計一種V形粉塵阻擋圈，見圖4。

將該V形粉塵阻擋圈與單道聚氨酯O形圈配合使用，見圖5。

測定其往復動密封壓力得到密封壓力與磨損行程的關系曲線，見圖6。

圖4 V形粉塵阻擋圈Figure 4 V-shaped dust barrier

1. 端蓋 2. 密封溝槽 3. 筒體 4. O形圈 5. V形粉塵阻擋圈圖5 O形圈加V形粉塵阻擋圈密封結構Figure 5 Structure of O ring and V-shaped dust barrier seal

圖6 V形粉塵阻擋圈下密封壓力與磨損行程關系Figure 6 Relationship between sealing pressure and wear travel under V-shaped dust barrier

由圖6可知，V形粉塵阻擋圈對動密封壓力有一定的提高，但提高不明顯。從試驗結果看，固體粉料被集中擋于V形粉塵阻擋圈的上部及凹處，而密封溝槽與O形圈上卻很少，說明其能有效地阻擋固體粉料，有利于延長O形圈的使用壽命。

2 組合方式對密封泄露量的影響

增加V形粉塵阻擋圈能有效阻擋固體粉料對O形圈的磨損傷害，有利于提高使用壽命，且對動密封壓力有一定的提高效果，因此，動密封泄漏量的測定試驗采取單道O形圈加V形粉塵阻擋圈與雙道O形圈加V形粉塵阻擋圈2種不同密封方式進行對比研究。由于超臨界流體萃取溫度大多在40～60 ℃，研究發現CO2到達超臨界狀態后，溫度的變動對泄漏量的影響較小，因此試驗在60 ℃下進行密封泄露量的測定，結果見圖7。

圖7 不同密封方式下泄漏量和密封壓力曲線Figure 7 Curve of the leakage quantity and sealing pressure under different sealing methods

由圖7可知，單道O形圈加V形粉塵阻擋圈在動密封壓力5～8 MPa時，其泄漏量增加不明顯，不到0.5 mL/h；當密封壓力超過8 MPa時，泄漏量急劇增大，導致密封失效，因此單道O形圈加V形粉塵阻擋圈有效密封壓力為8 MPa。雙道O形圈加V形粉塵阻擋圈情況類似，密封壓力在5.6～12.2 MPa時，其泄漏量不超過0.5 mL/h；當密封壓力超過12.2 MPa時，泄漏量急速變大，密封失效，因此雙道O形圈加V形粉塵阻擋圈的有效密封壓力為12.2 MPa。

3 磨損行程試驗分析

O形圈的有效磨損行程的測定可通過推動活塞運動的絲杠轉動圈數，利用千分尺進行測量。根據前面的試驗結果，采用聚氨酯O形圈試驗，在8 m行程內得到的磨損量與磨損行程曲線見圖8。

圖8 磨損行程與磨損量關系曲線Figure 8 The relationship curve between weartrip and wear quantity

由圖8可知，磨損量在0.08 mm下為初期磨損，0.08～0.10 mm 相當于正常磨損，此曲線關系圖與初期磨損和正常磨損相吻合，由于在往復運動過程中，壓力不斷變化，為得到有效磨損行程，取在11.0～12.2 MPa下的磨損行程為有效磨損行程，換算出試驗的有效磨損行程在1.7 m，初期磨損量(0.00～0.08 mm)的有效磨損行程為0.13 m左右。

4 O形圈接觸可靠性分析

O形圈能實現可靠密封的原理在于密封材料彈性體發生變形后擠壓溝槽產生了接觸壓力，只要接觸壓力大于內壓，即可實現有效密封，屬于自緊密封。在進行混合物萃取時，萃取釜是在靜態下工作的，此時的密封屬于靜密封，萃取完成，移動萃取釜的過程中則屬于動態密封，要保證萃取器能可靠工作，除了動密封要求，還有靜密封的要求。由于橡膠材料在外力作用下發生的變形為幾何和物理雙重非線性變形，因此對其力學性能的計算十分困難，一般在ANSYS模擬中選用Mooney-Rivlin模型進行力學性能常數的確定研究[14]，此處選用2項Mooney-Rivlin模型模擬O形圈的接觸過程，O形圈與接觸的筒體、活塞邊界按軸對稱問題處理，劃分網格時O形圈較密，筒體、活塞網格較疏，以提高計算速度和精度[15]。O形圈兩側壓力差分別為0～25，0～26，0～27 MPa 時進行O形圈工作狀態的模擬，結果表明：兩側壓力差在0～25 MPa時最大接觸壓力約為25.65 MPa，0～26 MPa 時約為26.28 MPa，0～27 MPa時約為26.7 MPa。可見兩側壓力差為27 MPa時，O形圈已不能實現可靠密封，其最大靜密封壓力差為26 MPa。

在試驗模型中，活塞和筒體在內壓的作用下會產生一定的變形，采用H8/h7配合，當筒體在最大公差0.089 mm配合情形下，最易出現泄露，其不同內壓下的筒體變形量見表1。

由表1可知，在壓力增大的過程中，筒體的變形量也在增加，因此在計算時不能把筒體當成剛性體。在兩側壓差為10 MPa時，O形圈在不同內壓力下的最大接觸壓力見表2。

表1 筒體在不同內壓下的變形量Table 1 The amount of deformation of the tube under different internal pressure

表2 O形圈在不同內壓下的最大接觸壓力Table 2 The maximum contact pressure of O ring under different internal pressure MPa

由表2可知，在壓差恒定的情況下，O形圈最大接觸壓力均大于內壓，均能滿足密封要求。

5 O形圈有效密封行程計算

在磨損行程試驗中，O形圈的急劇磨損臨界點未得到相應測定，通過模擬分析可獲得其使用壽命，發現穩定磨損值在0.01 mm時最大接觸壓力約27 MPa，比此時的最大內壓(26 MPa)大，可實現有效密封，當磨損量逐漸增大到0.14 mm 時，O形圈的接觸壓力約26 MPa，與此時最大內壓幾乎相等，因此可認為聚氨酯O形圈急劇磨損的臨界值為0.14 mm。根據圖7，正常磨損期的斜率k=(0.10-0.08)÷(1.70-0.13)=0.012 7，即每米行程磨損量為0.012 7 mm，當磨損值達到0.14 mm時，計算得磨損行程為0.14÷0.012 7=11.02 m，可見O形圈的有效密封行程為11.02 m。

6 活塞料倉鏈式的連續萃取器設計

6.1 活塞料倉萃取釜及密封結構設計

為對活塞料倉內的不同組分混合物進行萃取，可對不同的活塞料倉設計分級壓力萃取，分級壓力設置為10 MPa，根據設計要求，最高壓力為50 MPa，即各級萃取壓力設置為10，20，30，40，50，40，30，20，10 MPa，共需9個活塞料倉，分級連續萃取過程中，各萃取釜活塞倉內的壓力從10～50 MPa 逐級升壓，再從50～10 MPa逐級減壓。根據前面的試驗和模擬結果，采用聚氨酯材料作為O形圈的動密封形式，由于V形粉塵阻擋圈能有效提高O形圈的壽命，因此在萃取釜上設置V形粉塵阻擋圈，在連續萃取時，萃取釜在筒體中單向運動，因此設置一個V形粉塵阻擋圈，在左右兩側各設置一道O形圈進行密封，考慮端面泄露，設計端面密封圈，由于聚氨酯材料較硬，為便于密封圈的安裝，設計的萃取釜及密封結構見圖9。

1. 前壓蓋 2. 前端蓋 3. V形粉塵阻擋圈 4. 端面密封O形圈 5. 活塞倉體 6. 金屬網 7. 徑向密封O形圈 8. 后壓蓋

圖9 活塞料倉萃取釜及密封結構

Figure 9 Piston bunker extraction kettle and seal structure

其中前壓蓋與前端蓋螺紋壓緊，后壓蓋與活塞倉體螺紋壓緊，活塞倉體與前端蓋螺紋連接。前、后壓蓋設置成十字型的凹凸結構，便于多個活塞料倉通過此結構連接成料倉鏈，以實現連續萃取。活塞倉體內置金屬網，待分離的固態混合物放置其中。活塞倉體開直徑1.5 mm通孔，其外壁與萃取筒體內壁存在1.5 mm的環縫隙。超臨界流體從上部的進流孔通過金屬網，與金屬網內的混合物接觸，再通過下部的排流孔流出，在活塞倉體內實現萃取過程。

6.2 活塞料倉鏈式連續萃取器結構設計與強度計算

6.2.1 結構設計 根據超臨界流體萃取的流程，設計的活塞料倉鏈式連續萃取器結構見圖10。

其工作原理表述：來自二氧化碳儲罐的氣體經預熱加壓后變成超臨界流體通過調壓閥，調壓到各級所需的萃取壓力，超臨界流體從進流管通過活塞料倉萃取釜上的通孔進入金屬網內部與待分離混合物進行萃取，并通過排流管排出，再經降壓后變成二氧化碳氣體，析出萃取物，二氧化碳氣體預冷后重新進入儲罐，可重復利用。在萃取前，混合物進入活塞料倉的過程在萃取流程外進行，當要將待萃取的活塞料倉并入料倉鏈時，放入液壓裝置，通過十字接頭與前面的活塞料倉插接，并通過兩端液壓缸卡緊，當完成一個活塞料倉萃取，需要取出萃取余物并再次裝入固相萃取物時，通過電氣和液壓控制兩端的卡緊裝置松開，此時兩端的液壓缸仍舊卡緊，左邊排出側的液壓缸收縮，右邊入口側的液壓缸前進，在將需要萃取的活塞料倉推入筒體的同時排出完成萃取的活塞料倉，完成該動作后兩端的卡緊裝置再次卡緊。為便于操作，兩端設置了放置臺，放置臺與料倉鏈不接觸，僅為了放入料倉鏈和脫離料倉鏈時作為暫時擱置活塞料倉用。由于裝、卸料都在萃取筒體外進行，因此使得萃取的過程實現了連續操作，與采用快開密封結構的間歇式操作相比，減少了每次進、卸料時的能量損失，同時也避免了多次操作后快開密封結構失效出現爆炸事故，提高了萃取效率[16]。

1. 液壓裝置 2. 放置臺 3. 液壓缸 4. 卡緊裝置 5. 筒體 6. 換熱器 7. 活塞料倉萃取釜 8. 進流管 9. 調壓閥 10. 排流管 11. 金屬網 12. 通孔

圖10 活塞料倉鏈式的連續萃取器結構圖

Figure 10 The structure of continuous extractor with piston bin chain

6.2.2 活塞料倉抗壓強度校核 由于設計壓力p=50 MPa(>35 MPa)，故采用JB 4732—1995(R2005)《鋼制壓力容器 分析設計標準》, 設計溫度150 ℃，根據欲萃取容量大小，取活塞料倉的內徑Dip=35 mm，活塞料倉的有效長度Lp=55 mm，由于分級萃取，各級壓力不同，壁厚計算后取大值10.92 mm，調整至11 mm，即活塞倉體的外徑Dop=57 mm，材料選用316L不銹鋼。由于留有1.5 mm環縫隙，兩側端蓋的直徑dp=60 mm，因此取萃取器筒體內徑Di=60 mm，設計應力強度Sm=103 MPa，載荷組合系數K=1.0，由于p>0.4KSm，萃取器的筒體壁厚應按式(1)計算：

(1)

式中：

δ——萃取器筒體計算厚度，mm；

Di——萃取器筒體內徑，mm；

Pc——計算壓力，MPa；

K——載荷組合系數；

Sm——設計應力強度，MPa；

e——自然對數的底，2.718 28……。

由式(1)求得萃取器的筒體壁厚δ=18.72 mm，實際取19 mm，得萃取器筒體外徑D0=Di+2δ=98 mm。

料倉鏈運動時各級壓力下的單個活塞料倉的受力模型見圖11。

圖11 活塞料倉受力圖Figure 11 Force diagram of piston bin chain

已知筒體內壁與聚氨酯材料的摩擦系數為0.18，則入口側活塞料倉承受的壓力最大，有：

(2)

式中：

F——活塞料倉承受的前進推力，N；

f1——O形圈與筒體內壁產生的摩擦力，N；

f2——V形粉塵阻擋圈與筒體內壁產生的摩擦力，N。

根據表2的接觸壓力值和V形粉塵阻擋圈模擬接觸壓力值可求得所需推力：F=2.16×105N。

兩相鄰活塞料倉擠壓產生的壓力為：

(3)

式中：

F2——相鄰活塞料倉擠壓壓力，N。

由于萃取過程中活塞料倉處于靜止狀態，中間的活塞料倉內壓最高，承受的拉力最大，活塞料倉內部受力F1按式(4) 計算：

(4)

式中：

F1——各活塞料倉承受的最大拉力，N。

活塞料倉的最大擠壓強度σj：

6.2.3 活塞料倉壓桿穩定性校核 活塞料倉的截面慣性矩：

活塞倉體開孔后的最小截面積：

在最大開孔下的慣性半徑：

活塞料倉可簡化為一段鉸支，一段固定，因此取其長度因素μ=0.70，單節有效長度lp=55 mm，則活塞料倉的壓桿柔度：

7 結論

為提高萃取效率，實現不同壓力下的分級連續萃取，設計了活塞料倉鏈式的連續萃取器，提供了一種連續萃取的工藝實現方式，設備過程可靠，制造方便。與雙螺旋進給料方式相比，這種活塞料倉鏈式的連續進卸料裝置能有效解決固體萃取物在進卸料過程中遭受破壞和易堵塞問題，同時不同料倉內的壓力可實現萃取過程中壓力逐級增加后逐級降壓的過程，實現萃取物不同組分分級連續萃取，與單一壓力的連續萃取設備相比，萃取范圍更廣。本次研究未完全考慮流體溫度對密封和萃取效果的影響，下一步可在常見的萃取溫度范圍內(40～60 ℃)進行試驗，得出溫度對密封壓力和磨損行程的關系，選擇不同材料組合密封，優化密封結構及萃取設備結構。對更高壓力范圍(50～100 MPa)和更大直徑的活塞密封研究和萃取器設計也需要更多的試驗，在萃取物是固體粉料情況下對動密封的影響也是一個關鍵研究點，可考慮設計新型的密封結構對抗固體粉料的影響從而實現有效密封，實現超臨界流體的連續高效萃取。

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