超臨界流體萃取技術在化工生產中的應用

楊 科

（新疆生產建設兵團興新職業技術學院，新疆 鐵門關 841007）

0 引言

隨著近年來各行業領域對超臨界流體萃取技術的深入研究，以及該項技術日益完善的工藝流程，該項技術的工業化進程得到了迅猛進展。超臨界流體萃取技術現已成為被人們熟知的一種新型分離技術。隨著高壓技術的發展，超臨界流體萃取技術在化工領域的應用也越來越廣泛。本文通過對該項技術原理及化工生產中的應用進行評述，對其進一步發展趨勢進行分析。

1 超臨界流體萃取技術

1.1 超臨界流體萃取技術基本原理及特點

超臨界流體萃取技術基本原理是通過將某種超臨界狀態下的流體溶劑，與固體混合物或液體混合物進行接觸融合，并通過流體超臨界狀態下的特殊性質，將原有固體或液體混合物進行分離，最后通過減壓或升溫等方式對分離物進行萃取。超臨界流體的萃取工藝有以下特點：

1）與傳統萃取方式相比，對固體混合物或液體混合物的分離效率更高；

2）工藝流程可在低溫環境下進行，可應用于熱敏性物質及易發生氧化反應物質的萃取過程；

3）超臨界流體萃取技術在萃取時沒有相變過程發生，與傳統蒸餾、液液萃取技術相比無需蒸汽加熱等，能耗大幅降低，同時對難揮發物質等也可進行萃取應用。

1.2 超臨界流體適用條件分析

首先萃取劑應具備相對穩定的化學性質，不會對萃取容器設備造成腐蝕破壞；萃取溫度應臨近室溫或操作溫度，同時萃取壓力不易過高；萃取劑為適應工業生產，應有充足供應渠道，同時應考慮萃取成本；最后應有良好的溶解度。表1 為幾種工業領域常見的超臨界流體臨界狀態性質。

表1 流體臨界狀態溫度壓力對應表

上述超臨界流體中，CO2已經成為工業領域最為常用的萃取劑之一，已廣泛應用于工業化生產當中，其中利用CO2作為萃取劑的具體工藝流程如圖1所示。

圖1 超臨界CO2 流體萃取工藝流程

2 超臨界流體萃取技術在化工生產中的應用

基于超臨界萃取技術在工業應用領域的顯著優勢，現已得到廣泛的使用，尤其是在化工領域當中，利用超臨界流體萃取已實現在對熱敏性物質分離、低蒸汽壓油品和聚合物分離、高沸點化合物分離以及化學廢水、活性炭再生等諸多領域的應用。本文通過對超臨界流體萃取技術分別在化學反應中反應劑媒介的應用、廢水污水氧化處理應用、催化劑再生技術應用、石油廢油萃取處理技術應用以及有機物水溶液萃取技術應用方面，對該項技術在化工生產領域的主體應用方向、發展前景進行分析研究。

2.1 在化學反應中的媒介作用

超臨界流體作為化學反應中的媒介使用，例如煤的脫硫過程、生物酶的催化反應過程等，可以起到提升反應速率以及反應生成物純度的作用，將超臨近流體用作反應劑，包括以下優點：在提高化學反應轉化率的前提下，給反應過程帶來更多選擇性；將反應劑以及催化劑均置于超臨界流體當中，通過超臨界流體在反應過程中的媒介作用，將非均相反應變為均相反應；依據混合物在超臨界狀態的相行為，使得反應過程中的生成物、反應劑、催化劑以及反應剩余副產品可以更容易地進行分離。

2.2 廢水污水氧化處理

利用超臨界流體對廢水污水進行處理的機理，主要是利用超臨界水對有機物廢水進行氧化，使得有機物廢水中的尿素等物質進行充分分解，同時可以將廢水中的無機鹽成分很好地分離出來，通過超臨界流體萃取技術處理后的廢水、污水，基本可以轉化為可直接飲用的高純度飲用水[1]。

2.3 催化劑再生技術

以某高?；は祵ΤR界流體進行再生加氫用催化劑研究為例，該試驗選用吡啶以及二氧化硫作為溶劑，同時催化劑成分包括鉬、鈷、鎳、鎢元素的氧化物以及三氧化二鋁，將上述溶劑以及催化劑進行超臨界狀態再生，試驗結果發現，催化劑活性得到顯著增強，因此可以看出利用超臨界狀態，可以顯著增強催化劑活性，有助于降低催化劑成本，提高反應速率。

2.4 石油中殘渣油、廢油的處理

某公司利用超臨界態下的乙烷進行錠子油、粗柴油的萃取生產，其中乙烷流體的超臨界溫度、壓力分別為373.15 K、17 MPa，從萃取結果來看，該溫度壓力條件與傳統蒸餾萃取工藝流程相比，具有更高的萃取效率。同時很多企業高校都利用超臨界流體，對催化加氫工藝過程進行了研究，相比于傳統加氫工藝，超臨界流體狀態下可以得到純度更高的產品，利用超臨界流體狀態下的催化加氫工藝，還可進一步獲得合成石油以及低含氮燃油。同時催化劑使用效率也可以大幅提高，催化劑表明焦化程度大幅降低，反應過程中的堵塞現象也得到有效解決。

2.5 有機物水溶液的萃取

利用超臨界流體狀態特性，以超臨界CO2流體為例，可以很好的溶解一些有機物，從而實現有機物水溶液中對有機物的萃取工藝，降低傳統工藝能量損耗。以傳統發酵法工藝生產乙醇為例，傳統蒸餾發酵工藝將乙醇表明水進行脫水處理會損耗大量能量，而利用超臨界CO2流體進行萃取，能量損耗則可降低一半左右，節能效果顯著[2]。

3 超臨界流體萃取技術的應用評價及發展趨勢

3.1 應用評價

超臨界流體大多屬于高壓范疇，因此在生產設備上相對投資較大，同時由于超臨界流體萃取技術在工藝流程上需要降壓、加壓循環處理，因此在循環過程中的能耗較高，操作工藝上帶來的費用也就更高。因此應盡量在萃取流程上包含能量回收步驟，或采用各種手段保持更低的能量損耗。同時上述工藝特點也就決定了超臨界流體萃取技術，更適用于一些價格貴重的精細化工產品。

3.2 發展趨勢

近年來隨著超臨界流體萃取技術的不斷成熟發展，工業化領域的應用也變得十分活躍，但該項技術的發展仍面臨著如下問題：

1）相平衡較為復雜，相關的工程數據不宜獲得，模擬放大過程相對困難；

2）超臨界流體萃取工藝通常在高壓條件下進行，對壓縮機及膨脹閥等設備質量要求較高，同時一次萃取工藝所得產物質量低，通常需要進行多次萃取[3]。

因此針對這些問題，超臨界流體萃取技術的發展趨勢也就集中在理論研究以及設備開發兩方面進行考慮。其中理論研究方面，將更加深入研究超臨界狀態即高壓條件下的相平衡，對熱力學模型進行計算，并對各類型超臨界流體在特定溶質下的溶解能力進行研究；在設備開發方面，發展趨勢則在于尋求工業領域更為適用，同時更為經濟、能耗比更低的超臨界流體萃取技術，通過設計可回收能量減少萃取能耗的設備裝置，并將萃取工藝與反應、精餾等工藝流程相結合，實現提高萃取效率、降低能耗的效果。

4 結語

通過對超臨界流體萃取技術的基本原理及適用條件進行分析，并對其在化工生產領域的應用進行研究，可以看出超臨界流體萃取技術作為一種新型萃取分離技術，在化工領域的應用已十分廣泛成熟。結合該項技術催化劑再生、石油萃取等工藝中的應用優勢，以及高壓技術下的高能耗問題，對超臨界流體萃取技術發展趨勢、應用前景從理論技術研究、設備裝備開發方面進行了探討，為該項技術的推廣應用提供借鑒思路。