超临界二氧化碳连续萃取密封系统分析及关键设备设计

【摘要】：超临界流体萃取技术是一种新兴的绿色萃取分离技术,具有萃取效率高、产品质量好、环保无污染等优点。但目前超临界流体萃取技术存在一个重要问题,即萃取设备均为间歇式设备,在萃取过程中需要多次进行进卸料操作,能量损耗巨大,存在安全隐患。本文作者提出一种超临界流体连续萃取工艺及设备,促进了超临界流体萃取技术向高效、节能、环保、安全的方向发展,有较高的研究和推广价值。通过对国内外超临界CO_2萃取工艺流程的分析比较,以一种超临界流体连续萃取分离装置系统为基础,介绍了超临界CO_2连续萃取系统的工艺流程,实现了分级连续萃取的设想,并对系统中主要设备的结构和形式进行选择。针对超临界流体连续萃取设备中关键的高压密封问题,建立了O形圈轴向推入安装模型,利用有限元分析软件,通过改变压缩率、摩擦系数和引入角等因素,研究安装过程中各因素对O形圈的力学性能的影响。结果表明,随着压缩率的增大、摩擦系数的增大、引入角θ的增大以及引入角内端圆角R_1的减小,O形圈各应力值均会增大,而改变引入角外端圆角R_2和引入长度Z,O形圈Von-Mises应力峰值不变,综合考虑各因素的影响,选择压缩率为10%-14%、摩擦系数为0.1-0.15、引入角为15°,内端圆角R_1为5mm时,O形圈分别具有最优的表现,外端圆角R_2和引入长度Z的选取便于加工即可。为研究O形圈工作状态时的密封性能,建立了O形圈工作状态有限元分析模型,分别对两侧介质压力为0-8MPa、8-16MPa、16-24MPa和24-32MPa以及材料为聚氨酯、丁腈橡胶和氟橡胶的O形圈进行了模拟。结果表明,随着O形圈两侧介质压力增大,聚氨酯O形圈的接触压力始终大于最大内压,可以有效实现密封;改变O形圈材料后发现,聚氨酯、丁腈橡胶和氟橡胶三种材料均可满足密封要求,且聚氨酯接触压力最大,而当介质压力较高时,氟橡胶O形圈出现了永久变形,综合考虑O形圈最适合选择聚氨酯材料。根据超临界CO_2连续萃取分离系统的工艺流程,基于O形圈安装过程和工作状态的模拟分析,完成了系统中关键设备的设计,确定了连续萃取器、分离器和CO_2储罐的主体及其零部件的结构尺寸,并进行了强度计算与校核。