Supercritical CO₂ (scCO₂) extraction vessels operate at pressures of 100–500 bar and temperatures of 40–100°C. PFA is not suitable for this service. The primary failure mechanism is not chemical attack-scCO₂ is relatively benign to fluoropolymers-but pressure-induced collapse and creep. PFA has low mechanical strength: at 100 bar (10 MPa), the hoop stress on a 25 mm OD, 2 mm wall PFA tube is σ = P × D / (2 × t) = 10 × 25 / 4 = 62.5 MPa. The tensile strength of PFA at 40°C is 25–30 MPa. The stress exceeds the strength by a factor of 2. Even at 50 bar, stress = 31 MPa-above yield. PFA heaters cannot withstand the pressures required for scCO₂ extraction. For vessels operating below 20 bar, PFA may be acceptable, but scCO₂ extraction typically requires >80 bar għall-qawwa solvating. Metodi ta 'tisħin alternattivi għal bastimenti scCO₂ jinkludu ġkieket esterni, ħiters tal-metall interni (azzar li ma jissaddadx, Inconel), jew ħiters tal-iskartoċċ f'termowells. PFA mhux rakkomandat.
Limiti ta' Pressjoni ta' PFA fis-Servizz tas-CO₂
Il-pressjoni massima tax-xogħol permissibbli (MAWP) għal tubu PFA hija P_max=2 × σ_max × t / D. Għal σ_max=12 MPa (stress tad-disinn b'fattur ta 'sikurezza f'40 grad ), t=2 mm, D=25 mm, P_max=2 × 12 × 2} / 25=48 / 25=48 /25=48 mm /25=48 /= 2 mm, P_max=2} mm, P_max=2 × 12 × 2 /=2} /=2} /2} /=2}} /2} /2} /=2}. Dan huwa l-massimu assolut għal-operazzjoni għal żmien qasir. Għal servizz kontinwu, derata b'50%: P_max_continuous=0.5 × 1.9=0.95 MPa (9.5 bar). L-estrazzjoni scCO₂ f'80–500 bar (8–50 MPa) taqbeż il-kapaċità tal-PFA bi 8× sa 50×.
Anke jekk it-tubu PFA teoretikament jista 'jiflaħ l-istress, is-siġilli tat-tarf (fejn il-heater jippenetra l-bastiment) jnixxu. Flanġijiet PFA u fittings ta 'kompressjoni huma kklassifikati għal massimu ta' 5-10 bar. L-ebda twaħħil PFA disponibbli kummerċjalment huwa kklassifikat għal servizz ta '100 bar CO₂.
Modi ta' Ħsara f'scCO₂
| Pressjoni (bar) | Stress taċ-ċrieki f'25 × 2 mm (MPa) | Qawwa PFA (MPa) | Modalità ta' Ħsara | Ħin għall-falliment |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 6.3 | 25 | Xejn (sikur) | >10,000 siegħa |
| 20 | 12.5 | 25 | Marġinali (creep) | 1,000–5,000 siegħa |
| 30 | 18.8 | 25 | Qtugħ tal-creep | 100–500 siegħa |
| 50 | 31.3 | 25 | Rendiment immedjat | Sigħat |
| 80 | 50 | 25 | Fqigħ | Minuti |
| 100 | 62.5 | 25 | Falliment istantanju | Sekondi |
F'80 bar, it-tubu tal-PFA se ballun u jinfaqa '. Il-falliment huwa f'daqqa u katastrofiku: il-kisja tal-PFA tinqasam, scCO₂ jaħrab mill-qalba tal-heater (jekk vojta) jew il-qalba tkun esposta. F'bastiment issiġillat, heater tal-fqigħ joħloq mogħdija għar-rilaxx tal-gass, iżda l-bastiment innifsu jibqa' intatt. Madankollu, il-proċess ta 'estrazzjoni huwa ruined, u l-heater għandu jiġi sostitwit.
Permeazzjoni u Nefħa f'scCO₂
Fi pressjonijiet 'il fuq minn 80 bar, scCO₂ jgħaddi minn PFA b'rati sinifikanti. Il-koeffiċjent tal-permeabilità għal CO₂ f'PFA f'40 grad u 100 bar huwa bejn wieħed u ieħor 10-50 × ogħla minn 10 bar minħabba plastifikazzjoni. Il-molekuli tas-CO₂ jinfirxu fir-reġjuni amorfi, u l-polimeru jintefħu b'2-5%. Nefħa tnaqqas is-saħħa mekkanika aktar (b'20-30%). Il-PFA minfuħ isir aktar artab, u l-creep jaċċellera. Anke jekk heater PFA jista 'jinbena biex jiflaħ 100 bar, il-permeazzjoni tikkawża li l-ispazju annulari intern jippressizza b'CO₂. Mat-tnaqqis tal-pressjoni, is-CO₂ maqbud jespandi, jgħaqqad jew jiddelamina l-PFA (ara l-Artikolu #93). Iċ-ċiklu ta 'pressjoni/depressurizzazzjoni (tipiku fl-estrazzjonijiet tal-lott) huwa partikolarment ta' ħsara.
Metodi ta' Tisħin Alternattivi għal scCO₂
Peress li l-ħiters PFA mhumiex vijabbli għall-estrazzjoni ta' scCO₂, uża wieħed minn dawn il-metodi:
| Metodu tat-Tisħin | Klassifikazzjoni tal-Pressjoni Tipika | Vantaġġi | Żvantaġġi |
|---|---|---|---|
| Bastiment b'ġakketta esterna | Klassifikazzjoni sħiħa tal-bastiment (300 bar) | Ebda penetrazzjoni; tisħin uniformi | Rispons bil-mod; spiża ogħla |
| Ħiter tal-metall intern (Inconel 625) | Klassifikazzjoni sħiħa tal-bastiment | Rispons mgħaġġel; kompatti | Il-metall jista' jikkatalizza r-reazzjonijiet |
| Ħiter tal-iskartoċċ fit-termowell (metall) | Klassifikazzjoni sħiħa tal-bastiment | Jinbidlu mingħajr ftuħ tal-bastiment | Effiċjenza aktar baxxa tat-trasferiment tas-sħana |
| Band heaters fuq barra tal-bastiment | Klassifikazzjoni sħiħa tal-bastiment | Sempliċi; ebda modifika tal-bastiment | Għal bastimenti żgħar biss |
| Loop ta' riċirkolazzjoni bi skambjatur tas-sħana estern | Klassifikazzjoni sħiħa tal-bastiment | Kontroll eċċellenti; skalabbli | Jeħtieġ pompa; kumpless |
Għal bastimenti li jeħtieġu tisħin ta' immersjoni interna (eż., biex jiġu evitati żoni mejta), uża heater tal-metall (Inconel 625 jew Hastelloy C-276) stmat għall-pressjoni sħiħa tal-bastiment. Dawn il-ligi huma reżistenti għal scCO₂ u kwalunkwe ko-solventi (etanol, metanol) użati fl-estrazzjonijiet. L-element tal-heater huwa tipikament kejbil iżolat bil-minerali (MgO) ġewwa għant tal-metall. L-għant tal-metall iġorr it-tagħbija tal-pressjoni, mhux l-insulazzjoni.
Konklużjoni: Tużax PFA Heaters fl-estrazzjoni scCO₂
Il-ħiters PFA ma jistgħux jifilħu l-pressjonijiet meħtieġa għall-estrazzjoni tas-CO₂ superkritika (80-500 bar). L-istress taċ-ċrieki jeċċedi s-saħħa tat-tensjoni tal-PFA b'2–50×, u dan iwassal għal creep rapidu, ballooning, qsim, jew tifqigħ. Anke fi pressjonijiet baxxi daqs 20-30 bar, PFA huwa marġinali u se jfalli fi żmien mijiet ta 'sigħat minħabba t-tkaxkir. Għal kwalunkwe reċipjent scCO₂ li jopera 'l fuq minn 10 bar, speċifika ħiters tal-metall (Inconel, Hastelloy) jew tisħin estern tal-ġakketta. Tippruvax tuża ħiters PFA taħt il-pressjoni nominali tagħhom (tipikament 5–10 bar) u stenna prestazzjoni scCO₂. Il-materjal mhuwiex iddisinjat għalih, il-fittings mhumiex klassifikati għalih, u l-konsegwenzi tal-falliment (interruzzjoni tal-proċess, kontaminazzjoni tal-bastiment, riskju ta 'sikurezza) ma jiswewx l-attentat. Il-PFA huwa għal reżistenza kimika atmosferika jew ta'-pressjoni baxxa. scCO₂ huwa tagħmir ta' proċess ta'-pressjoni għolja. Qabbel il-materjal mal-pressjoni. PFA u scCO₂ ma jitħalltux. Uża metall, uża sħana esterna, imma tużax PFA. Il-bastiment se jirbaħ. Il-heater jitlef. Agħżel bil-għaqal.
