Може ли PFA нагревател да се използва в суперкритичен съд за екстракция на CO₂ без преждевременна повреда?

Суперкритичните съдове за екстракция на CO₂ (scCO₂) работят при налягане между 100 и 500 бара и температури между 40 и 100 градуса. Тази услуга не работи за PFA. Преобладаващият начин на повреда не е химическа атака, scCO2 обикновено е безвреден за флуорополимерите, а колапс и пълзене, предизвикани-от налягане. PFA има слаба механична якост. При 100 бара (10 MPa) обръчното напрежение върху 25 mm OD, 2 mm стена PFA тръба е σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. Якостта на опън на PFA е 25-30 MPa при 40 градуса. Стресът е два пъти по-голям от силата. напрежение=31 MPa-горе пробив дори при 50 bar. PFA нагревателите не са в състояние да устоят на налягането, необходимо за извличане на scCO₂. Съдове 20 бара PFA може да са подходящи, но е необходима екстракция scCO2 > 80 бара за постигане на сила на разтваряне. Съдовете за ScCO₂ могат също да се нагряват от външни кожуси, вътрешни метални нагреватели (неръждаема стомана, Inconel) или патронни нагреватели в термогнезда. PFA не се препоръчва.

PFA оценки на налягането за CO₂ услуга
PFA тръбата има максимално допустимо работно налягане (MAWP) от: P_max=2 x σ_max xt / D За макс.=12 MPa (проектно напрежение с фактор на безопасност при 40 градуса) t=2 mm D=25 mm P max=2 12 2 / 25=48 / 25=1.92 MPa (19,2 бара). Това е максималната абсолютна стойност за краткотрайна употреба. За непрекъснато обслужване намаляване с 50% P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9,5 bar) извличането на scCO2 при 80-500 bar (8-50 MPa) е 8 до 50 пъти по-добро от PFA.

Теоретично PFA тръбата би могла да се справи със силата, но крайните уплътнения (където нагревателят прониква в съда) биха протекли. PFA фланците и компресионните фитинги са оценени до максимум 5–10 бара. Понастоящем не се предлагат PFA фитинги, които да са предназначени за натоварване от 100 бара CO₂.

Режими на повреда в 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 часа
Пределно (пълзене) 1000–5000 часа 12.5 20 25
30 18.8 25 Разкъсване при пълзене 100-500 h
50 31.3 25 Незабавен добив, часове 80 50 25 Burst минути 100 62.5 25 Моментален отказ в секунди
При 80 бара PFA тръбата ще се раздуе и ще се спука. Повредата е драматична и внезапна: PFA обвивката се разкъсва и scCO₂ изтича през сърцевината на нагревателя (ако е куха) или сърцевината е изложена. Съдът се запечатва. Ако нагревателят избухне, той създава дупка за излизане на газа, но съдът все още е непокътнат. Процесът на извличане обаче е унищожен и нагревателят трябва да бъде сменен.

scCO2 проникване и подуване
При налягания над 80 бара scCO2 дифундира през PFA със значителни скорости. Поради пластификация, коефициентът на пропускливост на CO₂ в PFA при 40 градуса и 100 бара е около 10–50 пъти по-висок, отколкото при 10 бара. CO2 молекулите дифундират в аморфните области на полимера, разширявайки го до 2-5%. Подуването също влияе върху механичната якост (20–30% по-малко). Набъбналият PFA омекотява и пълзенето се ускорява. Дори ако беше възможно да се конструира нагревател от PFA, който да издържа на 100 бара, проникването би херметизирало вътрешния пръстен с CO 2. При понижено налягане съдържащият се CO2 би се разширил, изгаряйки или разслоявайки PFA (вижте член #93). Този цикъл на херметизиране/понижаване на налягането (типичен за партидни екстракции) е изключително вреден.

Алтернативни техники за нагряване за scCO₂
PFA нагревателите не са възможен избор за извличане на scCO2. Тези подходи включват:

Метод на нагряване Стандартно налягане Предимства Недостатъци
Външен съд с кожух. Пълен капацитет на съда (300 бара) Без проникване, хомогенна топлина. Бавен отговор. скъпо.
Вътрешен метален нагревател (Inconel 625) Пълна тарифа за корабно навло Компактен, бързо реагиращ Реакциите могат да бъдат катализирани от метал.
Термогнездо (метален) патронен нагревател Пълен капацитет на съда Сменяем без отваряне на съда По-ниска ефективност на топлопреминаване
Лентови нагреватели (съд отвън) Пълна оценка на съда Просто, не е необходима смяна на съда Само за малки плавателни съдове
Рециркулационен кръг с външен топлообменник Пълна оценка на кораба Добър контрол; Мащабируем Необходима е помпа; сложно.
За съдове, изискващи нагряване с вътрешно потапяне (за предотвратяване на мъртви зони, например), използвайте метален нагревател (Inconel 625 или Hastelloy C-276), номинален за цялото налягане на съда. Тези сплави са устойчиви на scCO₂ и всички съразтворители (етанол, метанол), използвани при екстракциите. Нагревателният елемент обикновено е кабел с минерална изолация (MgO) в метална обвивка. Натоварването под налягане се носи от металната обвивка, а не от изолацията.

Заключение: PFA нагревателите трябва да се избягват при екстракцията на scCO2
PFA нагревателите не могат да се използват за суперкритична CO₂ екстракция (80-500 bar). Възниква балон, разкъсване, спукване или бързо пълзене, защото напрежението на обръча е 2-50 пъти по-голямо от якостта на опън на PFA. Дори при ниско налягане от 20–30 бара, PFA е посредствен и ще се повреди в рамките на стотици часове от пълзене. Метални нагреватели (Inconel, Hastelloy) или външно отопление на кожуха трябва да бъдат посочени за всеки scCO2 съд, работещ над 10 бара. PFA нагревателите не са одобрени за работа на ScCO2 под тяхното номинално налягане (обикновено 5-10 бара). Материалът не е предназначен за него, фитингите не са предназначени за него и рисковете от повреда (нарушаване на процеса, замърсяване на съда, риск за безопасността) не си струва да се опитват. PFA е за използване в химически услуги при атмосферно или ниско налягане. scCO₂ е технологична инсталация с високо налягане. Свържете нещата с налягането. PFA и scCO₂ са несмесими. Без PFA, външна топлина, метал Лодката ще спечели. Нагревателят ще загуби. Заслужете го.