Ali je mogoče uporabiti grelnik PFA v superkritični posodi za ekstrakcijo CO₂ brez prezgodnje okvare?

Posode za ekstrakcijo superkritičnega CO₂ (scCO₂) delujejo pri tlakih med 100 in 500 bari in temperaturah med 40 in 100 stopinjami. Ta storitev ne deluje za PFA. Prevladujoč način okvare ni kemični napad, scCO2 je na splošno benigen za fluoropolimere, ampak kolaps in lezenje zaradi tlaka. PFA ima šibko mehansko trdnost. Pri 100 barih (10 MPa) je obročna napetost na cevi PFA z zunanjim premerom 25 mm in steno 2 mm σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. Natezna trdnost PFA je 25-30 MPa pri 40 stopinjah. Stres je dvakrat večji od moči. napetost=31 MPa-nad tečenjem tudi pri 50 barih. Grelniki PFA se ne morejo upreti pritiskom, potrebnim za ekstrakcijo scCO₂. Posode 20 barov PFA so lahko primerne, vendar je potrebna ekstrakcija scCO2 > 80 barov, da se doseže sposobnost topljenja. Posode ScCO₂ lahko ogrevate tudi z zunanjimi plašči, notranjimi kovinskimi grelniki (nerjaveče jeklo, Inconel) ali kartušnimi grelniki v zaščitnih vložkih. PFA ni priporočljiv.

Ocene tlaka PFA za storitev CO₂
Cev PFA ima največji dovoljeni delovni tlak (MAWP): P_max=2 x σ_max xt / D Za največ=12 MPa (načrtovana napetost z varnostnim faktorjem pri 40 stopinjah) t=2 mm D=25 mm P max=2 12 2 / 25=48 / 25=1.92 MPa (19,2 bara). To je največja absolutna vrednost za kratkotrajno uporabo. Za neprekinjeno delovanje zmanjšajte za 50 % P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9,5 bara) ekstrakcija scCO2 pri 80–500 barih (8–50 MPa) je 8- do 50-krat boljša od PFA.

Teoretično bi PFA cev lahko prenesla silo, vendar bi končna tesnila (kjer grelec prodre v posodo) puščala. PFA prirobnice in kompresijski priključki so ocenjeni na največ 5–10 barov. Trenutno ni na voljo fitingov PFA, ki bi bili ocenjeni za obremenitev 100 barov CO₂.

Načini okvare v 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 ur
Mejno (lezenje) 1.000–5.000 ur 12.5 20 25
30 18.8 25 Prekinitev zaradi lezenja 100-500 h
50 31.3 25 Ure takojšnjega donosa 80 50 25 Minute izbruha 100 62.5 25 Trenutna napaka Sekunde
Pri 80 barih bo cev PFA napihnila in počila. Napaka je dramatična in nenadna: ovoj PFA poči in scCO₂ pušča skozi jedro grelnika (če je votlo) ali pa je jedro izpostavljeno. Posoda je zapečatena. Če grelnik eksplodira, ustvari luknjo za uhajanje plina, vendar je posoda še vedno nedotaknjena. Vendar je postopek ekstrakcije uničen in grelec je treba zamenjati.

prepustnost scCO2 in nabrekanje
Pri tlakih, ki presegajo 80 barov, scCO2 difundira skozi PFA z znatnimi hitrostmi. Zaradi plastifikacije je koeficient prepustnosti CO₂ v PFA pri 40 stopinjah in 100 barih približno 10–50× večji kot pri 10 barih. Molekule CO2 difundirajo v amorfna področja polimera in ga razširijo na 2-5 %. Nabrekanje vpliva tudi na mehansko trdnost (20–30 % manj). Nabrekla PFA se zmehča in pospeši lezenje. Tudi če bi bilo možno izdelati grelec PFA, ki bi vzdržal 100 barov, bi penetracija ustvarila tlak v notranjem obroču s CO 2. Ko bi se tlak zmanjšal, bi se vsebovani CO2 razširil, sežgal ali razločil PFA (glej člen #93). Ta cikel povečanja tlaka/zmanjšanja tlaka (značilen za šaržne ekstrakcije) je izjemno škodljiv.

Alternativne tehnike ogrevanja za scCO₂
Grelniki PFA niso izvedljiva izbira za ekstrakcijo scCO2. Ti pristopi vključujejo:

Metoda ogrevanja Standardni nazivni tlak Prednosti Slabosti
Zunanja posoda z plaščem. Polna zmogljivost posode (300 barov) Brez preboja, homogena toplota. Počasen odgovor. drago.
Notranji kovinski grelec (Inconel 625) Celotna cena ladijskega prevoza Kompakten, hitro odziven. Reakcije lahko katalizira kovina.
Grelec kartuše (kovinski) z zaščitnim vdolbinom Polna ocena posode Zamenljiva brez odpiranja posode Nižja učinkovitost prenosa toplote
Tračni grelniki (posoda zunaj) Ocena polne posode Enostavno, menjava posode ni potrebna Samo za mala plovila
Recirkulacijska zanka z zunanjim izmenjevalnikom toplote Ocena polne ladje Dober nadzor; ScalablePotrebuje črpalko; zapleteno.
Za posode, ki zahtevajo notranje potopno ogrevanje (na primer za preprečevanje mrtvih območij), uporabite kovinski grelec (Inconel 625 ali Hastelloy C-276), ocenjen za celoten tlak posode. Te zlitine so odporne na scCO₂ in katera koli sotopila (etanol, metanol), ki se uporabljajo pri ekstrakcijah. Grelni element je običajno kabel z mineralno izolacijo (MgO) v kovinskem plašču. Tlačno obremenitev nosi kovinski plašč, ne izolacija.

Zaključek: Pri ekstrakciji scCO2 se je treba izogibati grelcem PFA
Grelnikov PFA ni mogoče uporabiti za superkritično ekstrakcijo CO₂ (80–500 barov). Baloniranje, zlom, pok ali hitro lezenje se pojavi, ker je obročna napetost 2-50x večja od natezne trdnosti PFA. Celo pri tako nizkih tlakih kot 20–30 barov je PFA povprečen in bo odpovedal v več sto urah zaradi lezenja. Za vsako posodo scCO2, ki deluje nad 10 barov, je treba določiti kovinske grelnike (Inconel, Hastelloy) ali zunanje ogrevanje plašča. Grelniki PFA niso odobreni za delovanje ScCO2 pod njihovim nazivnim tlakom (običajno 5–10 barov). Material ni namenjen za to, armature niso ocenjene za to in tveganja za okvaro (motnje v procesu, kontaminacija posode, varnostno tveganje) ni vredno poskusiti. PFA je za uporabo pri atmosferskih ali nizkotlačnih kemičnih storitvah. scCO₂ je visokotlačna procesna naprava. Uskladite snov s pritiskom. PFA in scCO₂ se ne mešata. Brez PFA, zunanje toplote, kovine Čoln bo zmagal. Grelec bo izgubil. Zasluži si.