Interested Article - Сверхкритическая флюидная экстракция

Свойства воды при 250 атмосфер в реакторе
Reaction Engeenering

Сверхкритическая флюидная экстракция — процесс экстракции с использованием сверхкритического флюида в качестве растворителя . Производится контактированием смеси разделяемых компонентов с газообразным экстрагентом при температуре и давлении выше критической точки . Наибольшее распространение в качестве экстрагентов (растворителей) получили СО 2 , этан , этилен , пропан , SF 6 и др.

Использование в качестве растворителя флюидов в сверхкритическом состоянии позволяет осуществлять углублённую переработку исходного сырья в различных индустриях: нефтехимической , пищевой , парфюмерной , фармацевтической и других отраслях промышленности .

Сверхкритическая экстракция — относительно новый процесс; изучение и исследования в этой области активно проводятся с начала 1970-х гг. Основное число работ посвящено извлечению различных веществ сверхкритическим СО ₂ из-за его высокой растворяющей способности, дешевизны, доступности, нетоксичности и невысоких критических параметров ( критическая температура 31,3 °С, критическое давление 7,36 МПа ).

Технология

Использование сверхкритических флюидов в процессах экстракции основано на высокой растворяющей способности различных сжатых газов, которая может быть сравнимой с растворяющей способностью жидких органических растворителей , а также на том факте, что растворяющая способность флюида в близкритической области претерпевает значительные изменения при малых изменениях температуры и давления . Это в свою очередь позволяет проводить углублённое фракционирование исходного сырья и регенерацию растворителя без дополнительных энергетических затрат путём дросселирования флюида до давления, при котором растворимость пренебрежимо мала.

Сверхкритическую флюидную экстракцию осуществляют, как правило, по схеме двухстадийного непрерывного процесса в аппаратах высокого давления , например в тарельчатых колоннах. На первой стадии сверхкритический газ контактирует с жидкой или твердой смесью, извлекая растворимые компоненты. На второй стадии экстрагент регенерируют путём сброса давления или изменения температуры, что приводит к полному осаждению извлеченных веществ. Затем рабочие параметры газа изменяют до требуемых значений и снова направляют его на первую стадию, организуя циркуляцию экстрагента.

Основная характеристика газа как экстрагента — его растворяющая способность, определяемая количественно параметром растворимости Гильдебранда. Растворяющая способность сильно зависит от температуры Т и давления Р, что позволяет посредством их изменения варьировать растворимость извлекаемых экстрактов-компонентов. В общем виде растворимость i-го компонента можно вычислить по уравнению:

y_{i}={\frac {P_{i}}{P}}\left\{{\frac {\Phi _{i}}{\Phi _{i}^{c}}}\exp {\left[{\frac {V_{i}\left(p-p_{i}\right)}{RT}}\right]}\right\}

y_{i}={\frac {P_{i}}{P}}\left\{{\frac {\Phi _{i}}{\Phi _{i}^{c}}}\exp {\left[{\frac {V_{i}\left(p-p_{i}\right)}{RT}}\right]}\right\}

где

p _i — давление насыщенного пара (при температуре Т) данного компонента;
р — давление сверхкритического газа;
Ф _i — соответствующие компонента при давлении pi и давлении сверхкритического газа;
V _i , — молярный объем компонента;
R — универсальная газовая постоянная .

Выражение в фигурных скобках — фактор усиления E, который показывает, во сколько раз растворимость компонента в сверхкритическом газе превышает его растворимость в идеальном газе . Для различных типов и классов извлекаемых веществ значения Е лежат обычно в диапазоне 10 ⁴ —10 ⁷ .

Из соотношения видно, что более летучий компонент обладает и большей растворимостью. Соотношение растворимостей компонентов характеризует селективность извлечения. Часто для её повышения в сверхкритический газ вводят малые добавки полярных веществ — модификаторов (таких как, ацетон , метанол , этанол , трибутилфосфат ).

Модификаторы способны образовывать донорно-акцепторные комплексы с некоторыми веществами, что повышает их растворимость в сверхкритическом газе. По сравнению с обычными жидкостями суперкритические газы характеризуются более высокими (на 2-3 порядка) коэффициентами диффузии и более низкой (на 1-2 порядка) вязкостью . Поэтому скорость извлечения не ограничивается массопереносом в сверхкритической фазе.

Применение

В промышленности сверхкритическую экстракцию используют для извлечения кофеина из зерен кофе, выделения ценных компонентов (раститительных масел, биологически активных веществ ) из некоторых видов растительного и животного сырья (цветы ромашки , хмель , морские продукты и др.), регенерации адсорбентов и катализаторов , переработки угля и нефти. Весьма перспективна экстракция для извлечения, разделения и концентрирования продуктов растительного и животного происхождения в пищевой, парфюмерной и хим. фармацевтической отраслях промышленности, а также для извлечения токсичных органических веществ (например пестицидов ) из почвы и сточных вод.

Возрастает применение в аналитической химии в качестве селективного метода разделения и концентрирования компонентов сложных смесей органических соединений .