超临界流体萃取技术在化工生产中的应用

杨 科

（新疆生产建设兵团兴新职业技术学院，新疆 铁门关 841007）

0 引言

随着近年来各行业领域对超临界流体萃取技术的深入研究，以及该项技术日益完善的工艺流程，该项技术的工业化进程得到了迅猛进展。超临界流体萃取技术现已成为被人们熟知的一种新型分离技术。随着高压技术的发展，超临界流体萃取技术在化工领域的应用也越来越广泛。本文通过对该项技术原理及化工生产中的应用进行评述，对其进一步发展趋势进行分析。

1 超临界流体萃取技术

1.1 超临界流体萃取技术基本原理及特点

超临界流体萃取技术基本原理是通过将某种超临界状态下的流体溶剂，与固体混合物或液体混合物进行接触融合，并通过流体超临界状态下的特殊性质，将原有固体或液体混合物进行分离，最后通过减压或升温等方式对分离物进行萃取。超临界流体的萃取工艺有以下特点：

1）与传统萃取方式相比，对固体混合物或液体混合物的分离效率更高；

2）工艺流程可在低温环境下进行，可应用于热敏性物质及易发生氧化反应物质的萃取过程；

3）超临界流体萃取技术在萃取时没有相变过程发生，与传统蒸馏、液液萃取技术相比无需蒸汽加热等，能耗大幅降低，同时对难挥发物质等也可进行萃取应用。

1.2 超临界流体适用条件分析

首先萃取剂应具备相对稳定的化学性质，不会对萃取容器设备造成腐蚀破坏；萃取温度应临近室温或操作温度，同时萃取压力不易过高；萃取剂为适应工业生产，应有充足供应渠道，同时应考虑萃取成本；最后应有良好的溶解度。表1 为几种工业领域常见的超临界流体临界状态性质。

表1 流体临界状态温度压力对应表

上述超临界流体中，CO2已经成为工业领域最为常用的萃取剂之一，已广泛应用于工业化生产当中，其中利用CO2作为萃取剂的具体工艺流程如图1所示。

图1 超临界CO2 流体萃取工艺流程

2 超临界流体萃取技术在化工生产中的应用

基于超临界萃取技术在工业应用领域的显著优势，现已得到广泛的使用，尤其是在化工领域当中，利用超临界流体萃取已实现在对热敏性物质分离、低蒸汽压油品和聚合物分离、高沸点化合物分离以及化学废水、活性炭再生等诸多领域的应用。本文通过对超临界流体萃取技术分别在化学反应中反应剂媒介的应用、废水污水氧化处理应用、催化剂再生技术应用、石油废油萃取处理技术应用以及有机物水溶液萃取技术应用方面，对该项技术在化工生产领域的主体应用方向、发展前景进行分析研究。

2.1 在化学反应中的媒介作用

超临界流体作为化学反应中的媒介使用，例如煤的脱硫过程、生物酶的催化反应过程等，可以起到提升反应速率以及反应生成物纯度的作用，将超临近流体用作反应剂，包括以下优点：在提高化学反应转化率的前提下，给反应过程带来更多选择性；将反应剂以及催化剂均置于超临界流体当中，通过超临界流体在反应过程中的媒介作用，将非均相反应变为均相反应；依据混合物在超临界状态的相行为，使得反应过程中的生成物、反应剂、催化剂以及反应剩余副产品可以更容易地进行分离。

2.2 废水污水氧化处理

利用超临界流体对废水污水进行处理的机理，主要是利用超临界水对有机物废水进行氧化，使得有机物废水中的尿素等物质进行充分分解，同时可以将废水中的无机盐成分很好地分离出来，通过超临界流体萃取技术处理后的废水、污水，基本可以转化为可直接饮用的高纯度饮用水[1]。

2.3 催化剂再生技术

以某高校化工系对超临界流体进行再生加氢用催化剂研究为例，该试验选用吡啶以及二氧化硫作为溶剂，同时催化剂成分包括钼、钴、镍、钨元素的氧化物以及三氧化二铝，将上述溶剂以及催化剂进行超临界状态再生，试验结果发现，催化剂活性得到显著增强，因此可以看出利用超临界状态，可以显著增强催化剂活性，有助于降低催化剂成本，提高反应速率。

2.4 石油中残渣油、废油的处理

某公司利用超临界态下的乙烷进行锭子油、粗柴油的萃取生产，其中乙烷流体的超临界温度、压力分别为373.15 K、17 MPa，从萃取结果来看，该温度压力条件与传统蒸馏萃取工艺流程相比，具有更高的萃取效率。同时很多企业高校都利用超临界流体，对催化加氢工艺过程进行了研究，相比于传统加氢工艺，超临界流体状态下可以得到纯度更高的产品，利用超临界流体状态下的催化加氢工艺，还可进一步获得合成石油以及低含氮燃油。同时催化剂使用效率也可以大幅提高，催化剂表明焦化程度大幅降低，反应过程中的堵塞现象也得到有效解决。

2.5 有机物水溶液的萃取

利用超临界流体状态特性，以超临界CO2流体为例，可以很好的溶解一些有机物，从而实现有机物水溶液中对有机物的萃取工艺，降低传统工艺能量损耗。以传统发酵法工艺生产乙醇为例，传统蒸馏发酵工艺将乙醇表明水进行脱水处理会损耗大量能量，而利用超临界CO2流体进行萃取，能量损耗则可降低一半左右，节能效果显著[2]。

3 超临界流体萃取技术的应用评价及发展趋势

3.1 应用评价

超临界流体大多属于高压范畴，因此在生产设备上相对投资较大，同时由于超临界流体萃取技术在工艺流程上需要降压、加压循环处理，因此在循环过程中的能耗较高，操作工艺上带来的费用也就更高。因此应尽量在萃取流程上包含能量回收步骤，或采用各种手段保持更低的能量损耗。同时上述工艺特点也就决定了超临界流体萃取技术，更适用于一些价格贵重的精细化工产品。

3.2 发展趋势

近年来随着超临界流体萃取技术的不断成熟发展，工业化领域的应用也变得十分活跃，但该项技术的发展仍面临着如下问题：

1）相平衡较为复杂，相关的工程数据不宜获得，模拟放大过程相对困难；

2）超临界流体萃取工艺通常在高压条件下进行，对压缩机及膨胀阀等设备质量要求较高，同时一次萃取工艺所得产物质量低，通常需要进行多次萃取[3]。

因此针对这些问题，超临界流体萃取技术的发展趋势也就集中在理论研究以及设备开发两方面进行考虑。其中理论研究方面，将更加深入研究超临界状态即高压条件下的相平衡，对热力学模型进行计算，并对各类型超临界流体在特定溶质下的溶解能力进行研究；在设备开发方面，发展趋势则在于寻求工业领域更为适用，同时更为经济、能耗比更低的超临界流体萃取技术，通过设计可回收能量减少萃取能耗的设备装置，并将萃取工艺与反应、精馏等工艺流程相结合，实现提高萃取效率、降低能耗的效果。

4 结语

通过对超临界流体萃取技术的基本原理及适用条件进行分析，并对其在化工生产领域的应用进行研究，可以看出超临界流体萃取技术作为一种新型萃取分离技术，在化工领域的应用已十分广泛成熟。结合该项技术催化剂再生、石油萃取等工艺中的应用优势，以及高压技术下的高能耗问题，对超临界流体萃取技术发展趋势、应用前景从理论技术研究、设备装备开发方面进行了探讨，为该项技术的推广应用提供借鉴思路。