Može li se PFA grijač koristiti u superkritičnoj posudi za ekstrakciju CO₂ bez prijevremenog kvara?

Superkritične posude za ekstrakciju CO₂ (scCO₂) rade pri tlaku između 100 i 500 bara i temperaturama između 40 i 100 stupnjeva. Ova usluga ne radi za PFA. Prevladavajući način kvara nije kemijski napad, scCO2 općenito je benigan za fluoropolimere, već kolaps-inducirani tlakom i puzanje. PFA ima slabu mehaničku čvrstoću. Pri 100 bara (10 MPa) obručno naprezanje na PFA cijevi od 25 mm OD, 2 mm stijenke je σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. Vlačna čvrstoća PFA je 25-30 MPa na 40 stupnjeva. Stres je dva puta veći od snage. naprezanje=31 MPa-iznad popuštanja čak i pri 50 bara. PFA grijači nisu u stanju odoljeti pritiscima potrebnim za ekstrakciju scCO₂. Posude od 20 bara PFA mogu biti prikladne, ali potrebna je ekstrakcija scCO2 > 80 bara za postizanje moći otapanja. Posude ScCO₂ također se mogu grijati vanjskim omotačima, unutarnjim metalnim grijačima (nehrđajući čelik, Inconel) ili grijačima ulošcima u zaštitnim ulošcima. PFA se ne savjetuje.

PFA ocjene tlaka za CO₂ uslugu
PFA cijev ima najveći dopušteni radni tlak (MAWP) od: P_max=2 x σ_max xt / D Za max=12 MPa (projektno opterećenje sa sigurnosnim faktorom na 40 stupnjeva) t=2 mm D=25 mm P max=2 12 2 / 25=48 / 25=1.92 MPa (19,2 bara). Ovo je apsolutni maksimum za kratkotrajnu upotrebu. Za kontinuiranu uslugu smanjite za 50% P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9,5 bara) ekstrakcija scCO2 pri 80-500 bara (8-50 MPa) je 8 do 50 puta bolja od PFA.

Teoretski bi PFA cijev mogla podnijeti silu, ali bi krajnje brtve (gdje grijač prodire u posudu) procurile. PFA prirubnice i kompresijski spojevi ocijenjeni su do najviše 5-10 bara. Trenutno nisu dostupni PFA priključci koji su ocijenjeni za rad od 100 bara CO₂.

Načini kvarova u scCO₂
Pressure (bar) Hoop Stress at 25×2 mm (MPa)PFA Strength (MPa) Failure mode Time to failure 10 6.3 25 None (safe) >10 000 sati
Granično (puzanje) 1000–5000 sati 12.5 20 25
30 18.8 25 Puzanje loma 100-500 h
50 31.3 25 Sati trenutne dobiti 80 50 25 Minute praska 100 62.5 25 Trenutačni kvar u sekundama
Pri 80 bara PFA cijev će se napuhati i puknuti. Kvar je dramatičan i iznenadan: PFA omotač pukne i scCO₂ curi kroz jezgru grijača (ako je šuplja) ili je jezgra izložena. Posuda je zapečaćena. Ako grijač eksplodira, stvara rupu za izlazak plina, ali posuda je još uvijek netaknuta. Međutim, proces ekstrakcije je uništen i grijač treba zamijeniti.

scCO2 prodiranje i bubrenje
Pri pritiscima većim od 80 bara scCO2 difundira kroz PFA znatnim brzinama. Zbog plastifikacije, koeficijent propusnosti CO₂ u PFA na 40 stupnjeva i 100 bara je oko 10–50× veći nego na 10 bara. Molekule CO2 difundiraju u amorfna područja polimera šireći ga na 2-5%. Bubrenje također utječe na mehaničku čvrstoću (20–30% manje). Nabubreni PFA omekšava i puzanje se ubrzava. Čak i kad bi bilo moguće konstruirati PFA grijač da izdrži 100 bara, prodiranje bi stvorilo tlak u unutarnjem prstenu s CO 2. Kada bi se smanjio tlak, sadržani CO2 bi se proširio, spržio ili raslojio PFA (vidi članak #93). Ovaj ciklus podtlaka/smanjenja tlaka (tipičan za šaržne ekstrakcije) izuzetno je štetan.

Alternativne tehnike grijanja za scCO₂
PFA grijači nisu izvediv izbor za ekstrakciju scCO2. Ovi pristupi uključuju:

Metoda grijanja Standardni nazivni tlak Prednosti Nedostaci
Vanjska posuda s omotačem. Puna snaga posude (300 bara) Nema prodiranja, homogena toplina. Spori odgovor. Skup.
Unutarnji metalni grijač (Inconel 625) Puna brodska vozarina Kompaktan, brzi odziv Reakcije mogu biti katalizirane metalom.
Termowell (metalni) patronski grijač Ocjena pune posude Zamjenjiv bez otvaranja posude Niža učinkovitost prijenosa topline
Trakasti grijači (posuda izvana) Ocjena pune posude Jednostavno, nije potrebna promjena posude Samo za mala plovila
Recirkulacijska petlja s vanjskim izmjenjivačem topline Puna brodska ocjena Dobra kontrola; ScalableNeeds a pump; komplicirano.
Za posude koje zahtijevaju unutarnje zagrijavanje uranjanjem (kako bi se spriječile mrtve zone, na primjer) koristite metalni grijač (Inconel 625 ili Hastelloy C-276) naznačen za cijeli tlak posude. Ove legure su otporne na scCO₂ i sva suotapala (etanol, metanol) korištena u ekstrakcijama. Grijaći element obično je kabel s mineralnom izolacijom (MgO) u metalnom omotaču. Tlačno opterećenje nosi metalni omotač, a ne izolacija.

Zaključak: PFA grijače treba izbjegavati u ekstrakciji scCO2
PFA grijači ne mogu se koristiti za superkritičnu ekstrakciju CO₂ (80-500 bara). Baloniranje, pucanje, pucanje ili brzo puzanje događa se jer je obručno naprezanje 2-50x veće od vlačne čvrstoće PFA. Čak i pri tlakovima niskim od 20-30 bara, PFA je osrednji i pokvarit će se u roku od nekoliko stotina sati puzanjem. Metalni grijači (Inconel, Hastelloy) ili vanjsko grijanje plašta moraju biti navedeni za svaku scCO2 posudu koja radi iznad 10 bara. PFA grijači nisu odobreni za performanse ScCO2 ispod njihovog nazivnog tlaka (obično 5-10 bara). Materijal nije namijenjen za to, armature nisu ocijenjene za to i rizici od kvara (prekid procesa, kontaminacija posude, sigurnosni rizik) nisu vrijedni isprobavanja. PFA je za upotrebu u kemijskim uslugama pod atmosferskim ili niskim pritiskom. scCO₂ je visokotlačno procesno postrojenje. Uskladite stvari s pritiskom. PFA i scCO₂ se ne mogu miješati. Bez PFA, vanjske topline, metala Brod će pobijediti. Grijač će se izgubiti. Zasluži to.