超臨界流體
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-05-26
超臨界流體的視頻教程
使用AxCYCLE對超臨界二氧化碳sCO2循環進行熱力分析
本視頻節選自SoftInWay公司往期研討會《sCO2循環構建及分析》 SoftInWay是一個已有20年歷史，全球設有多個辦公室的葉輪機械領域的專業公司，公司旗下擁有自主研發的集設計，分析和優化為一體的專業葉輪機械設計軟件平臺AxSTREAM。優質的軟件及迅速的技術支持體驗，已獲得全球450多家客戶的信賴及肯定 對我們有更多興趣或想觀看完整視頻，請發送郵件聯系：china@softinway.com
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超臨界流體的實例教程
純凈物質要根據溫度和壓力的不同，呈現出液體、氣體、固體等狀態變化，如果提高溫度和壓力，來觀察狀態的變化，那么會發現，如果達到特定的溫度、壓力，會出現液體與氣體界面消失的現象該點被稱為臨界點超臨界流體指的是處于臨界點以上溫度和壓力區域下的流體，在臨界點附近，會出現流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數等所有流體的物性發生急劇變化的現象超臨界流體的特性超臨界流體由于液體與氣體分界消失，是即使提高壓力也不液化的非凝聚性氣體超臨界流體的物性兼具液體性質與氣體性質。即，密度大大高于氣體，粘度比液體大為減小，擴散度接近于氣體。另外，根據壓力和溫度的不同，這種物性會發生變化，因此，在提取、精制、反應等方面，越來越多地被用來作代替原有有機溶媒的新型溶媒使用例如，水的密度、離子、介電常數等以臨界溫度374℃為分界，發生急劇的變化。特別是在常溫狀態下極性溶媒－水的介電常數到了臨界點以上會急劇減小，超臨界水的介電常數減小到與有機溶媒相同的水平由于這種特性，水在超臨界狀態，便具有與有機溶媒相同的特性，變成了可以與有機物完全混合的狀態熱容量值有較大變化，這也是臨界點非常獨特的特性之一。臨界點的熱容量值急劇上升，幾乎達到了無限大，然后再減小，如果恰當地利用這種特性，將能夠得到一種非常優秀的不銹鐵熱媒體。
超臨界流體特性技術1)超臨界水氧化技術超臨界水氧化技術是使廢水在水的超臨界條件(P>218atm,T>374℃)下與氧化劑(O2、Air、H2O2等)反應，把廢水中含有的有機物分解成無害成份的技術在臨界點以下的條件下，廢水中含有的有機物處于并非與水完全混合的狀態，形成界面(Boundarylayer)。因此，為使有機物與氧氣反應，實現氧化分解，需要把氣體狀態的氧氣溶解到水中，溶解的氧氣重新通過有機物界面，只有這樣才能使有機物與氧氣反應。因此，如要分解廢水含有的有機物需要較多時間。
展開 超臨界流體具有許多獨特的性質，如粘度小、密度、擴散系數、溶劑化能力等性質隨溫度和壓力變化十分敏感:粘度和擴散系數接近氣體，而密度和溶劑化能力接近液體。
純凈物質要根據溫度和壓力的不同，呈現出液體、氣體、超臨界氣體萃取三種典型流程固體等狀態變化。在溫度高于某一數值時，任何大的壓力均不能使該純物質由氣相轉化為液相，此時的溫度即被稱之為臨界溫度Tc;而在臨界溫度下，氣體能被液化的最低壓力稱為臨界壓力Pc。在臨界點附近，會出現流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數等所有流體的物性發生急劇變化的現象。當物質所處的溫度高于臨界溫度，壓力大于臨界壓力時，該物質處于超臨界狀態。
溫度及壓力均處于臨界點以上的液體叫超臨界流體(supercritical fluid，簡稱SCF)。例如:當水的溫度和壓強升高到臨界點(t=374.3 ℃，p=22.05 MPa)以上時，就處于一種既不同于氣態，也不同于液態和固態的新的流體態──超臨界態，該狀態的水即稱之為超臨界水。
展開 引言
在現代工業和科學研究中，超臨界流體因其獨特的物理性質而備受關注。超臨界工況下的流體兼具氣體和液體的雙重特性，其密度接近液體，而粘度接近氣體，熱物性受溫度和壓力的影響極大，尤其在擬臨界溫度附近，物性變化極為劇烈。這種特性使得超臨界流體在能源、化工、航空航天等領域具有廣泛的應用前景，例如超臨界水、超臨界二氧化碳以及各種超臨界狀態有機工質的研究等。然而，超臨界流體的流動傳熱問題復雜，需要借助先進的模擬仿真工具來實現對其流動傳熱特性的精準分析。本文將介紹VirtualFlow軟件在超臨界流動傳熱模擬中的應用，并通過具體算例展示其強大的功能。
圖 1 超臨界流體PT圖
1.VirtualFlow中的變物性表達方法
在超臨界流動傳熱模擬中，準確處理流體的變物性是關鍵。VirtualFlow軟件提供了多種方法來實現對超臨界流體熱物性參數的準確表達，以下是幾種主要方法：
1.1 直接插值方法
在狀態點足夠密集的情況下，直接插值方法可以實現高精度的物性參數計算。VirtualFlow支持從美國國家標準與技術研究院（NIST）數據庫中直接查找數據，并通過單線性插值或雙線性插值方法獲取所需的物性參數。此外，用戶還可以通過curve_fit方法，采用dat文件讀入方式實現單線性插值。
圖 2 dat文件格式
1.2 狀態方程
對于超臨界物性參數，VirtualFlow還內置了多種狀態方程。通過對狀態方程的求解，可以直接得到該狀態下的物性參數，滿足對一般超臨界物性的設置需求。
圖 3 VirtualFlow中設置狀態方程
1.3 多項式擬合方法
VirtualFlow還支持通過自定義函數（UDF）實現多項式擬合方法，用于計算超臨界流體的熱物性參數。采用UDF實現物性參數的多項式擬合可采用如下UDF。
展開 ■ Trexel
關于微發泡射出制程技術
塑料微發泡射出制程(MuCell?) 是將超臨界流體(N2或CO2) 注入射出機料管中, 透過螺桿將超臨界流體與塑料混煉成均勻單相流體。超臨界流體與熔融態高分子之勻相混合物在射出過程中因為瞬間壓降造成熱力學不平衡，使得流體進入模穴后氣體得以從熔融態塑料當中擴散成核并長成均勻微細氣泡。含有微細氣泡的塑料經模具冷卻固化得到微細發泡成品。此一制程省去傳統制程的保壓階段而節省制程周期時間同時解決傳統射出產品不均勻收縮與翹曲變形等問題而大幅提升產品尺寸精度。另外，微發泡制程較一般射出制程有較短的生產周期，其產品因使用氣體作為發泡媒介而兼具制程環保、產品輕量化的優點且產品塑料可回收。
微發泡成型技術研發歷程
1993 年MIT 授權Trexel 公司進行商業化制程研發，1997 年發展出PS 微細押出發泡制程(MuCell)，Engel 于2000 年推出微細發泡射出成形機(MuCellMolding)，1998 年3 月Trexel 公司在臺灣提出申請射出制程專利，2000 年10 月Asahi chemical 宣稱開發完成Amotec 技術，1998 年臺灣ITRI/UCL 開始進行微細押出發泡制程之研發；1999~2000 年持續研發微細發泡押出及射出技術。
在過去20 年塑料加工工藝中的重大創新
用于熱塑性材料的MuCell? 微孔發泡，為注塑成型技術提供了傳統注塑前所未有的設計，增強了靈活性并大大降低成本。MuCell? 技術在設計塑件壁厚時，只需考慮發揮材料最大功能，而不用擔心注塑成型工藝問題。密度降低和功能化設計兩者結合，通?？梢詼p少材料和制件重量20% 以上。
展開 在發泡制程中的超臨界流體(SCF)通常是使用N2或CO2兩種氣體與聚合物熔體混合在一起，產生單相聚合物/氣體溶質，注入到模穴內，最后在產品中形成氣泡。而在CBA制程中，化學發泡劑與塑料顆?；旌显谝黄鹱鳛橹珓┗蛱砑觿┦褂?，化學反應在料筒中完成，氣體溶解在熔膠中，在充填階段時氣泡開始成長，同時在產品中開始釋放，形成壓力。
微細發泡成型原理
此項技術的好處是能有較低的射出壓力、較低的溫度、縮短周期時間、減少能源和材料的使用。盡管以上優點，加入超臨界流體會增加流動行為，材料形態及產品表面質量的復雜性，也因而局限了此制程的發展與接受度。
挑戰
? 氣泡形成的數量、大小與分布都取決于成型條件的設定，直接影響產品的質量
? 評估縫合線和包封問題，優化澆口數目和位置
? 產品的幾何設計有別于傳統射出制程，因此設計經驗無法直接套用
? 潛在的表面質量問題
Moldex3D解決方案
? 在熔膠注入到模穴后的充填階段就開始模擬氣泡成核與氣泡成長
? 計算氣泡大小、數目、密度分布、體積收縮等結果，評估產品減重比率
? 預測熔膠流動與氣泡發展間的相互作用
? 預測氣泡結構對產品翹曲的影響，達到產品輕量化的目標
傳統成型產品和發泡成型產品的尺寸穩定性與變形預測的比較
應用產業
? 電子
? 汽車
? 醫療
? 消費性產品
展開 
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高壓特殊應用：
針對加氫站、高壓氣瓶充填、超臨界流體萃取等特殊場景，布瑯軻锳特提供了專門的高壓系列（如HIGH-TECH系列），這些儀表經過特殊加固設計，最大工作壓力可高達400 bar甚至700 bar，在這種極端壓力下，普通的流量計可能會發生形變導致測量失效甚至爆裂，而專用高壓儀表則能確保持續穩定的高精度控制。
應用場景與價值
從氫燃料電池測試臺的高壓氫氣微量加注，到半導體刻蝕機中的特種氣體精確配比，再到超臨界流體萃取實驗，諾冠高壓比例閥正在幫助全球客戶提升產品良率、降低能耗并確保生產安全。
引言
在現代工業和科學研究中，超臨界流體因其獨特的物理性質而備受關注。超臨界工況下的流體兼具氣體和液體的雙重特性，其密度接近液體，而粘度接近氣體，熱物性受溫度和壓力的影響極大，尤其在擬臨界溫度附近，物性變化極為劇烈。這種特性使得超臨界流體在能源、化工、航空航天等領域具有廣泛的應用前景，例如超臨界水、超臨界二氧化碳以及各種超臨界狀態有機工質的研究等。
8.超臨界流體色譜（SFC）
固定相：以超臨界二氧化碳為主要流動相的色譜柱。
流動相：超臨界流體，通常與助溶劑一起使用。
應用：適用于分離非極性和中等極性化合物以及手性分離。
9.聯用技術：如LC-MS（液相色譜-質譜法）和LC-NMR（液相色譜-核磁共振法）。
盡管以上優點，加入超臨界流體會增加流動行為，材料形態及產品表面質量的復雜性，也因而局限了此制程的發展與接受度。
關于此技術，有四項步驟：
(1)氣體溶解（Gas dissolution）－ 超臨界流體（Supercritical fluid, SCF）射入料管，在高壓下與熔膠形成單相熔體。
(2)成核（Nucleation）－ 當熔膠通過噴嘴射入模穴內時，因急速的壓力降而形成大量的成核點。
(3)氣泡成長（Cell growth）－ 氣泡成長與合并發生在成型階段時。
1.3 石墨烯薄膜
通過機械剝離制備的石墨烯，如球磨、剪切力剝離、超聲波(即液相剝離)、超臨界流體法和新型分層工程剝離，在減少氧化處理引入的缺陷或雜原子方面具有很大的優勢。因此，與氧化石墨烯薄膜相比，石墨烯粉末組裝的石墨烯薄膜也表現出了很好的性能。在圖3(a-e)中，Teng等人通過球磨法制備了高濃度石墨烯漿料。對GF紙進行過濾達到1529 W/mk的高k值。
如圖8a所示，首先采用微流控紡絲技術和超臨界流體干燥工藝制備石墨烯氣凝膠纖維。氣凝膠定向智能纖維(ASFs)是通過在PCM中浸漬氟碳樹脂涂層來制備的。值得注意的是，高度多孔的3D石墨烯網絡(圖8b)賦予了由此產生的智能纖維優越的機械、電氣和熱性能。因此，最終的智能織物表現出多響應刺激特性(電/熱/光子)。
如圖8a所示，首先采用微流控紡絲技術和超臨界流體干燥工藝制備石墨烯氣凝膠纖維。氣凝膠定向智能纖維(ASFs)是通過在PCM中浸漬氟碳樹脂涂層來制備的。值得注意的是，高度多孔的3D石墨烯網絡(圖8b)賦予了由此產生的智能纖維優越的機械、電氣和熱性能。因此，最終的智能織物表現出多響應刺激特性(電/熱/光子)。
我個人認為PEEK發泡是一件有挑戰性的實驗，因料管溫度很高，熔膠對超臨界流體的溶解度可能不高。目前業界有射PEEK料給航空器使用，其射出機的加熱片要用陶瓷加熱器，使加熱溫度可到450度。
