超临界流体制备超微颗粒的过程模拟与喷嘴设计

【摘要】：本文首先对超临界流体(Supercritical Fluid,SCF)技术制备超微颗粒的研究现状和技术特点进行了综述和分析。SCF快速膨胀过程(Rapid Expansion of Supercritical Solution,RESS)和SCF抗溶剂结晶过程(Gas or Supercritical Anti-solvent Crystallization,GAS or SAS)是两个研究比较深入,并很有应用前景的超微微粒制备技术。作为一项多学科交叉的热点新技术,其实践和理论目前尚处于研究和发展阶段,基本上没有大规模工业应用的报导,实验研究也以操作参数对结果的大致影响为主,有些结果大相径庭。对其机理和过程的模型化描述和模拟研究,不仅可以合理地解释实验现象,而且可以预测实验结果,这对于实验研究及工业化应用都有着重要的科学指导意义。同时如何提高制备超微颗粒的产量也是目前应用领域亟待解决的瓶颈问题,通过深入分析和研究而进行的装置设计与喷嘴设计工作,将使课题的应用领域进一步拓宽,能为解决这一问题从设备角度上跨出关键的一步。基于以上考虑,将SCF技术制备超微颗粒的模型模拟与喷嘴设计作为本文的两个重点内容进行了研究。 为保证模拟与设计计算的正确性,需要进行流体物理性质的计算,对以超临界CO_2为主的SCF相状态参数计算进行了总结与比较,确定了计算状态参数应用的状态方程类型,即利用Bender方程,计算CO_2的气相密度、音速等参数,应用R—K方程计算导出状态函数关系式,而液相混合物的密度应用P-R方程来进行计算。在比较各种方法的适用性和优劣的基础上,给出了关于纯CO_2流体相和液体混合物的一些物理性能参数的计算方法和公式,比如、粘度、扩散系数、导热系数、表面张力等等。 在此基础上,对RESS流动过程和气溶胶溶剂萃取系统(ASES)过程进行了模型建立与模拟计算工作。 RESS过程制备超细微粒的本质是利用了SCF溶解性在临界区附近对压力的敏感性。通过压力的适当变化大幅度地调整SCF的溶解度,使溶解了溶质的SCF在瞬间迅速减压,从而在此过程中产生SCF强烈的机械扰动和极大的过饱和比。一维稳定流动过程模型的描述包括锥体入口段、直管膨胀段和出口超音速膨胀段,模拟得到了超临界流体在喷嘴流动过程中的温度、压力、密度、速度分布等结果,这些都是决定其溶解溶质能力的状态条件;过程结果表明,在锥体出