專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超臨界流體技術(shù)和聲空化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置與方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)溫度和壓力高于臨界點(diǎn)時(shí)，二氧化碳進(jìn)入超臨界狀態(tài)。超臨界流體對(duì)物料有較好的滲透性和較強(qiáng)的溶解能力，能夠?qū)⑽锪现心承┏煞痔崛〕鰜?lái)，提取完成后，通過(guò)改變體系溫度或壓力，使超臨界流體變成普通氣體逸散出去，物料中已提取的成分就基本可以完全析出，達(dá)到提取和分離的目的，這就是超臨界流體萃取。近二十年來(lái)，超臨界流體技術(shù)得到了很大的發(fā)展，除超臨界流體萃取外，超臨界流體技術(shù)還有超臨界流體色譜技術(shù)、超臨界流體反應(yīng)技術(shù)、超臨界流體結(jié)晶技術(shù)等等。由于超臨界流體技術(shù)所具備的特點(diǎn)，使得超臨界流體技術(shù)被譽(yù)為“綠色化工”技術(shù)，而超臨界二氧化碳則被認(rèn)為是傳統(tǒng)溶劑的理想替代物。然而，大多數(shù)物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度較小，這使得超臨界流體對(duì)于萃取物的傳質(zhì)速率很慢，大大降低了超臨界流體萃取的效率，甚至使超臨界流體萃取技術(shù)失去了實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。因此，20世紀(jì)90年代起，人們開(kāi)始探索強(qiáng)化超臨界流體萃取的各種技術(shù)手段，超聲波強(qiáng)化技術(shù)就是其中重要的技術(shù)手段。在常規(guī)的液體中，超聲波強(qiáng)化技術(shù)的“主動(dòng)力”是超聲波在液體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)。液體空化時(shí)產(chǎn)生高溫、高壓、高密度，并伴隨聲致發(fā)光等現(xiàn)象。但是，迄今為止，人們對(duì)超臨界流體中能否發(fā)生空化還不得而知。因此，利用超聲波在超臨界流體中誘導(dǎo)空化發(fā)生，就成為一個(gè)超聲學(xué)界和超臨界流體技術(shù)界都十分關(guān)心的重要課題。超臨界流體的物質(zhì)種類(lèi)很多，目前已經(jīng)確定了 1000多種物質(zhì)的臨界參數(shù)，但適合于實(shí)際應(yīng)用的只有二氧化碳、水、四氟乙烷、丙烷等十幾種。二氧化碳是地球大氣的幾種組成氣體之一，也是合成氨廠和天然氣井的可回收副產(chǎn)物，來(lái)源豐富，價(jià)格便宜。它無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、不燃燒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。雖然二氧化碳是一種具有溫室效應(yīng)的氣體，但由于所使用的二氧化碳來(lái)源于合成氨廠和天然氣井副產(chǎn)物的回收，并未增加二氧化碳的排放，而且還能回收循環(huán)利用。二氧化碳的臨界溫度為31. 4°C，在室溫附近，臨界壓力為7. 38MPa，不算高，這有利于超臨界技術(shù)上的操作。因此，二氧化碳被公認(rèn)為最理想的綠色化學(xué)溶劑。本發(fā)明的目的主要是實(shí)現(xiàn)利用大功率超聲波技術(shù)在超臨界二氧化碳等超臨界流體中誘導(dǎo)空化產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的首要目的在于提供一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，本發(fā)明的進(jìn)一步的目的在于提供一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化方法，提升物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度，提高超臨界流體對(duì)于萃取物的傳質(zhì)速率，從而提聞超臨界流體萃取的效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案
一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，包括高壓空化腔，所述高壓空化腔內(nèi)設(shè)置有通過(guò)電纜與超聲波發(fā)生器相連接的超聲波換能器、用于加熱高壓空化腔內(nèi)介質(zhì)的加熱管，所述加熱管與外部溫度監(jiān)控器相連接；
所述高壓空化腔的圍壁上還設(shè)置有連接高壓成核氣體源的成核氣體進(jìn)口、連接超臨界二氧化碳源的二氧化碳進(jìn)口、連接真空機(jī)的抽真空進(jìn)口和用于顯示高壓空化腔內(nèi)壓力的第一壓力表。較佳地，所述成核氣體進(jìn)口、超臨界二氧化碳進(jìn)口、抽真空進(jìn)口分別設(shè)置有成核氣體閥門(mén)、超臨界二氧化碳閥門(mén)和抽真空閥門(mén)，且成核氣體閥門(mén)的前端還設(shè)置有用于監(jiān)控成核氣體源壓力的第二壓力表。較佳地，所述超聲波換能器為頻率是20-50KHZ、輻射功率密度為100 200 W/cm2的夾心式壓電陶瓷換能器。較佳地，所述超聲波換能器的數(shù)量為一個(gè)或一個(gè)以上，通過(guò)螺紋或螺桿連接在高壓空化腔的底部或四周。較佳地，所述高壓空化腔材料為鋁合金。較佳地，所述高壓空化腔的圍壁內(nèi)側(cè)設(shè)置有用于觀察腔內(nèi)空化情況的透明PC窗。較佳地，所述PC窗通過(guò)厭氧膠與壓空化腔的圍壁內(nèi)側(cè)相粘接。本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案如下
一種采用上述空化裝置的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化方法，包括步驟
Si，關(guān)閉超臨界二氧化碳閥門(mén)、成核氣體閥門(mén)，開(kāi)啟抽真空閥門(mén)；啟動(dòng)抽真空機(jī)，將高壓空化腔抽真空，使高壓空化腔內(nèi)的真空度達(dá)到(To. 5Pa。S2，開(kāi)啟超臨界二氧化碳進(jìn)口閥門(mén)，向高壓空化腔注入超臨界二氧化碳，直到高壓空化腔內(nèi)的壓力達(dá)到8-20MPa。S3，開(kāi)啟成核氣體閥門(mén)，向高壓空化腔注入成核氣體氨。S4，開(kāi)啟外部溫度監(jiān)控器，在高壓空化腔內(nèi)的溫度低于操作溫度時(shí)，開(kāi)啟加熱管7，將高壓空化腔內(nèi)的溫度加熱并保持在34 8(rc。S5，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作，向超臨界二氧化碳輻射超聲波，使高壓成核氣泡在超聲波作用下發(fā)生空化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明通過(guò)提供對(duì)超臨界二氧化碳進(jìn)行空化的的裝置和方法，有效提高物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度，提升超臨界流體對(duì)于萃取物的傳質(zhì)速率，大大提高了超臨界流體萃取的效率，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)施例1 如圖1所示，一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，包括高壓空化腔1，
所述高壓空化腔I內(nèi)設(shè)置有通過(guò)電纜10與超聲波發(fā)生器相連接的超聲波換能器11、用于加熱高壓空化腔I內(nèi)介質(zhì)的加熱管7，所述加熱管7與外部溫度監(jiān)控器8相連接，
所述高壓空化腔I的圍壁上還設(shè)置有連接高壓成核氣體源的成核氣體進(jìn)口 5、連接超臨界二氧化碳源的二氧化碳進(jìn)口 5、連接真空機(jī)的抽真空進(jìn)口 12和用于顯示高壓空化腔I內(nèi)壓力的第一壓力表3。通過(guò)控制高壓空化腔I內(nèi)的壓力和溫度，保證二氧化碳處于超臨界態(tài)；
所述成核氣體進(jìn)口 13、超臨界二氧化碳進(jìn)口 5、抽真空進(jìn)口 12分別設(shè)置有成核氣體閥門(mén)14、超臨界二氧化碳閥門(mén)6和抽真空閥門(mén)9，且成核氣體閥門(mén)14的前端還設(shè)置有用于監(jiān)控成核氣體源壓力的第二壓力表4。所述超聲波換能器11為頻率是20-50KHZ、輻射功率密度為100 200 W/cm2的夾心式壓電陶瓷換能器。所述超聲波換能器11的數(shù)量為一個(gè)或一個(gè)以上，通過(guò)螺紋或螺桿連接在高壓空化腔I的底部或四周。所述高壓空化腔I材料為鋁合金。
實(shí)施例2
如圖2所示，一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，包括高壓空化腔1，
所述高壓空化腔I內(nèi)設(shè)置有通過(guò)電纜10與超聲波發(fā)生器相連接的超聲波換能器11、用于加熱高壓空化腔I內(nèi)介質(zhì)的加熱管7，所述加熱管7與外部溫度監(jiān)控器8相連接；
所述高壓空化腔I的圍壁上還設(shè)置有連接高壓成核氣體源的成核氣體進(jìn)口 13、連接超臨界二氧化碳源的二氧化碳進(jìn)口 5、連接真空機(jī)的抽真空進(jìn)口 12和用于顯示高壓空化腔I內(nèi)壓力的第一壓力表3。通過(guò)控制高壓空化腔I內(nèi)的壓力和溫度，保證二氧化碳處于超臨界態(tài)；
所述成核氣體進(jìn)口 13、超臨界二氧化碳進(jìn)口 5、抽真空進(jìn)口 12分別設(shè)置有成核氣體閥門(mén)14、超臨界二氧化碳閥門(mén)6和抽真空閥門(mén)9，且成核氣體閥門(mén)14的前端還設(shè)置有用于監(jiān)控成核氣體源壓力的第二壓力表4。所述超聲波換能器11為頻率是20-50KHZ、輻射功率密度為100 200 W/cm2的夾心式壓電陶瓷換能器。所述超聲波換能器11的數(shù)量為一個(gè)或一個(gè)以上，通過(guò)螺紋或螺桿連接在高壓空化腔I的底部或四周。所述高壓空化腔I材料為鋁合金。所述高壓空化腔I的圍壁內(nèi)側(cè)設(shè)置有用于觀察腔內(nèi)空化情況的透明PC窗2，所述PC窗2通過(guò)厭氧膠與壓空化腔I的圍壁內(nèi)側(cè)相粘接，通過(guò)PC窗(具有一定透明度)，可借助于高速攝像觀察空化泡的運(yùn)動(dòng)，高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，用高速運(yùn)動(dòng)圖像分析軟件自動(dòng)計(jì)算空化泡的形態(tài)隨時(shí)間的變化，實(shí)時(shí)了解空化情況，厭氧膠具有耐熱耐壓耐腐蝕、強(qiáng)度高、密封性好等特點(diǎn)，非常適合高壓空化腔I內(nèi)的環(huán)境。
實(shí)施例3 一種采用所述的空化裝置的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化方法，包括步驟
SI，關(guān)閉超臨界二氧化碳閥門(mén)6、成核氣體閥門(mén)14，開(kāi)啟抽真空閥門(mén)9 ;啟動(dòng)抽真空機(jī)，將高壓空化腔I抽真空，使高壓空化腔I內(nèi)的真空度達(dá)到OPa。S2，開(kāi)啟超臨界二氧化碳進(jìn)口閥門(mén)6，向高壓空化腔I注入超臨界二氧化碳，直到高壓空化腔I內(nèi)的壓力達(dá)到8MPa。S3，開(kāi)啟成核氣體閥門(mén)14，向高壓空化腔I注入成核氣體氨。S4，開(kāi)啟外部溫度監(jiān)控器8，在高壓空化腔I內(nèi)的溫度低于操作溫度時(shí)，開(kāi)啟加熱管7，將高壓空化腔I內(nèi)的溫度加熱并保持在34°C。S5，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器11工作，向超臨界二氧化碳輻射超聲波，使高壓成核氣泡在超聲波作用下發(fā)生空化。成核氣體選擇為氨等臨界點(diǎn)高的介質(zhì)，氨的臨界溫度和臨界壓力分別為132. 90C和 11.38MPa。
實(shí)施例4
一種采用所述的空化裝置的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化方法，包括步驟
SI，關(guān)閉超臨界二氧化碳閥門(mén)6、成核氣體閥門(mén)14，開(kāi)啟抽真空閥門(mén)9 ;啟動(dòng)抽真空機(jī)，將高壓空化腔I抽真空，使高壓空化腔I內(nèi)的真空度達(dá)到O. 2Pa。S2，開(kāi)啟超臨界二氧化碳進(jìn)口閥門(mén)6，向高壓空化腔I注入超臨界二氧化碳，直到高壓空化腔I內(nèi)的壓力達(dá)到15MPa。S3，開(kāi)啟成核氣體閥門(mén)14，向高壓空化腔I注入成核氣體氨。S4，開(kāi)啟外部溫度監(jiān)控器8，在高壓空化腔I內(nèi)的溫度低于操作溫度時(shí)，開(kāi)啟加熱管7，將高壓空化腔I內(nèi)的溫度加熱并保持在60°C。S5，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器11工作，向超臨界二氧化碳輻射超聲波，使高壓成核氣泡在超聲波作用下發(fā)生空化。成核氣體選擇為氨等臨界點(diǎn)高的介質(zhì)，氨的臨界溫度和臨界壓力分別為132. 90C和 11.38MPa。
實(shí)施例5
一種采用所述的空化裝置的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化方法，包括步驟
SI，關(guān)閉超臨界二氧化碳閥門(mén)6、成核氣體閥門(mén)14，開(kāi)啟抽真空閥門(mén)9 ;啟動(dòng)抽真空機(jī)，將高壓空化腔I抽真空，使高壓空化腔I內(nèi)的真空度達(dá)到O. 5Pa。S2，開(kāi)啟超臨界二氧化碳進(jìn)口閥門(mén)6，向高壓空化腔I注入超臨界二氧化碳，直到高壓空化腔I內(nèi)的壓力達(dá)到20MPa。S3，開(kāi)啟成核氣體閥門(mén)14，向高壓空化腔I注入成核氣體氨。S4，開(kāi)啟外部溫度監(jiān)控器8，在高壓空化腔I內(nèi)的溫度低于操作溫度時(shí)，開(kāi)啟加熱管7，將高壓空化腔I內(nèi)的溫度加熱并保持在80°C。S5，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器11工作，向超臨界二氧化碳輻射超聲波，使高壓成核氣泡在超聲波作用下發(fā)生空化。成核氣體選擇為氨等臨界點(diǎn)高的介質(zhì)，氨的臨界溫度和臨界壓力分別為132. 90C和 11.38MPa。作為大規(guī)模超臨界萃取設(shè)備等用途時(shí)，將萃取物料置于空化腔內(nèi)，進(jìn)行超聲波強(qiáng)化超臨界流體萃取，有效提聞?shì)腿∥锪显诔R界流體中的溶解度，提升超臨界流體對(duì)于萃取物的傳質(zhì)速率，大大提聞了超臨界流體萃取的效率。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明做出的非實(shí)質(zhì)性修改，也均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，包括高壓空化腔(I)，其特征在于， 所述高壓空化腔(I)內(nèi)設(shè)置有通過(guò)電纜(10)與超聲波發(fā)生器相連接的超聲波換能器(11)、用于加熱高壓空化腔(I)內(nèi)介質(zhì)的加熱管(7)，所述加熱管(7)與外部溫度監(jiān)控器(8)相連接； 所述高壓空化腔(I)的圍壁上還設(shè)置有連接高壓成核氣體源的成核氣體進(jìn)口(13)、連接超臨界二氧化碳源的二氧化碳進(jìn)口(5)、連接真空機(jī)的抽真空進(jìn)口(12)和用于顯示高壓空化腔(I)內(nèi)壓力的第一壓力表(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，其特征在于，所述成核氣體進(jìn)口(13)、超臨界二氧化碳進(jìn)口(5)、抽真空進(jìn)口(12)分別設(shè)置有成核氣體閥門(mén)(14)、超臨界二氧化碳閥門(mén)(6)和抽真空閥門(mén)(9)，且成核氣體閥門(mén)(14)的前端還設(shè)置有用于監(jiān)控成核氣體源壓力的第二壓力表(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，其特征在于，所述超聲波換能器(11)為頻率是20-50KHZ、輻射功率密度為10(T200 W/cm2的夾心式壓電陶瓷換能器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，其特征在于，所述超聲波換能器(11)的數(shù)量為一個(gè)或一個(gè)以上，通過(guò)螺紋或螺桿連接在高壓空化腔(I)的底部或四周。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，其特征在于，所述高壓空化腔(I)材料為鋁合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，其特征在于，所述高壓空化腔(I)的圍壁內(nèi)側(cè)設(shè)`置有用于觀察腔內(nèi)空化情況的透明PC窗(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置，其特征在于，所述PC窗(2)通過(guò)厭氧膠與壓空化腔(I)的圍壁內(nèi)側(cè)相粘接。
8.一種采用I至7任一項(xiàng)所述的空化裝置的超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化方法，其特征在于，包括步驟: SI，關(guān)閉超臨界二氧化碳閥門(mén)(6)、成核氣體閥門(mén)(14)，開(kāi)啟抽真空閥門(mén)(9);啟動(dòng)抽真空機(jī)，將高壓空化腔⑴抽真空，使高壓空化腔⑴內(nèi)的真空度達(dá)到(T0.5Pa ； S2，開(kāi)啟超臨界二氧化碳進(jìn)口閥門(mén)￠)，向高壓空化腔(I)注入超臨界二氧化碳，直到高壓空化腔(I)內(nèi)的壓力達(dá)到8-20MPa; S3，開(kāi)啟成核氣體閥門(mén)(14)，向高壓空化腔(I)注入成核氣體氨； S4，開(kāi)啟外部溫度監(jiān)控器(8)，在高壓空化腔(I)內(nèi)的溫度低于操作溫度時(shí)，開(kāi)啟加熱管7，將高壓空化腔(I)內(nèi)的溫度加熱并保持在3Γ80 ； S5，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)超聲波換能器(11)工作，向超臨界二氧化碳輻射超聲波，使高壓成核氣泡在超聲波作用下發(fā)生空化。
全文摘要
一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置與方法，包括一種超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化裝置以及利用該空化裝置進(jìn)行超聲誘導(dǎo)超臨界二氧化碳空化方法。本發(fā)明通過(guò)提供對(duì)超臨界二氧化碳進(jìn)行空化的裝置和方法，有效提高物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度，提升超臨界流體對(duì)于萃取物的傳質(zhì)速率，大大提高了超臨界流體萃取的效率，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。
文檔編號(hào)B01J19/10GK103071311SQ201310034649
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者盧義剛, 陳格平, 江建亮 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)