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 baari lahustusvõimsuseks. Alternatiivsed scCO₂-anumate kuumutamismeetodid hõlmavad väliskestasid, sisemisi metallsoojendeid (roostevaba teras, Inconel) või kassettküttekehasid termosüvendites. PFA-d ei soovitata.
PFA rõhupiirangud CO₂ teenuses
PFA toru maksimaalne lubatud töörõhk (MAWP) on P_max=2 × σ_max × t / D. σ_max=12 MPa (konstruktsioonipinge ohutusteguriga 40 kraadi juures), t=2 mm, D=25 mm, P_max=2} × MPa=2} × 1 MPa (19,2 baari). See on lühiajalise-operatsiooni absoluutne maksimum. Pideva hoolduse korral vähendage 50%: P_max_continuous=0.5 × 1.9=0.95 MPa (9,5 baari). scCO₂ ekstraheerimine 80–500 baari (8–50 MPa) juures ületab PFA võime 8–50 korda.
Isegi kui PFA toru suudaks teoreetiliselt pingele vastu pidada, lekiksid otsatihendid (kus kütteseade tungib anumasse). PFA äärikud ja surveliitmikud on arvestatud maksimaalselt 5–10 baarile. Ükski kaubanduslikult saadav PFA-liitmik ei ole ette nähtud 100 baari CO₂ kasutamiseks.
ScCO₂ rikkerežiimid
| Rõhk (bar) | Rõnga pinge 25 × 2 mm (MPa) | PFA tugevus (MPa) | Rikkerežiim | Aeg ebaõnnestumiseks |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 6.3 | 25 | Puudub (turvaline) | >10 000 tundi |
| 20 | 12.5 | 25 | Marginaalne (libisemine) | 1000–5000 tundi |
| 30 | 18.8 | 25 | Roomamise rebend | 100-500 tundi |
| 50 | 31.3 | 25 | Kohene saagikus | Tundi |
| 80 | 50 | 25 | Purske | Minutid |
| 100 | 62.5 | 25 | Hetkeline rike | Sekundid |
80 baari juures läheb PFA toru õhupalliks ja lõhkeb. Rike on äkiline ja katastroofiline: PFA ümbris puruneb, scCO₂ pääseb läbi soojendi südamiku (kui see on õõnes) või südamik paljastub. Suletud anumas loob lõhkemissoojendi gaasi vabanemiseks tee, kuid anum ise jääb puutumata. Väljatõmbeprotsess on aga rikutud ja kütteseade tuleb välja vahetada.
Läbilaskvus ja turse scCO₂-s
Rõhul üle 80 baari imbub scCO₂ läbi PFA märkimisväärse kiirusega. PFA-s sisalduva CO₂ läbilaskvuse koefitsient 40 kraadi ja 100 baari juures on plastifitseerimise tõttu ligikaudu 10–50 korda kõrgem kui rõhul 10 baari. CO₂ molekulid difundeeruvad amorfsetesse piirkondadesse, paisudes polümeeri 2–5%. Turse vähendab mehaanilist tugevust veelgi (20–30%). Paisunud PFA muutub pehmemaks ja roomamine kiireneb. Isegi kui PFA-küttekeha saaks ehitada taluma 100 baari, põhjustaks läbitungimine sisemise rõngakujulise ruumi CO₂ rõhu alla. Surve vähendamisel paisub kinni jäänud CO₂, tekitades PFA villid või kihistades (vt artiklit 93). Survestamise/survestamise tsükkel (tüüpiline partiide ekstraheerimisel) on eriti kahjulik.
Alternatiivsed kuumutamismeetodid scCO₂ jaoks
Kuna PFA-soojendid ei ole scCO₂ ekstraheerimiseks elujõulised, kasutage ühte järgmistest meetoditest.
| Küttemeetod | Tüüpiline rõhureiting | Eelised | Puudused |
|---|---|---|---|
| Välise mantliga laev | Kogu anuma reiting (300 baari) | Läbitungimine puudub; ühtlane küte | Aeglane reageerimine; suurem kulu |
| Sisemine metallist kütteseade (Inconel 625) | Laeva täielik hinnang | Kiire reageerimine; kompaktne | Metall võib reaktsioone katalüüsida |
| Kassettküttekeha termosüvendis (metallist) | Laeva täielik hinnang | Vahetatav ilma anuma avamiseta | Madalam soojusülekande efektiivsus |
| Ribaküttekehad laeva välisküljel | Laeva täielik hinnang | Lihtne; laeva muutmata | Ainult väikestele laevadele |
| Välise soojusvahetiga retsirkulatsioonisilmus | Laeva täielik hinnang | Suurepärane kontroll; skaleeritav | Vajab pumpa; keeruline |
Anumate jaoks, mis vajavad sisemist sukelkütmist (nt surnud tsoonide vältimiseks), kasutage metallist kütteseadet (Inconel 625 või Hastelloy C-276), mis on ette nähtud kogu anuma rõhu jaoks. Need sulamid on vastupidavad scCO₂ ja ekstraheerimisel kasutatavate kaaslahustite (etanool, metanool) suhtes. Kütteelement on tavaliselt mineraalisolatsiooniga (MgO) kaabel metallkesta sees. Metallkate kannab survekoormust, mitte isolatsiooni.
Järeldus: ärge kasutage scCO₂ ekstraheerimisel PFA-soojendeid
PFA-soojendid ei talu ülekriitilise CO₂ ekstraheerimiseks vajalikku rõhku (80–500 baari). Rõnga pinge ületab PFA tõmbetugevust 2–50 korda, mis põhjustab kiiret roomamist, õhupallimist, rebenemist või lõhkemist. Isegi nii madalal rõhul kui 20–30 baari on PFA marginaalne ja laguneb roomamise tõttu sadade tundide jooksul. Iga scCO₂ anuma jaoks, mis töötab üle 10 baari, määrake metallsoojendid (Inconel, Hastelloy) või välissärgisoojendus. Ärge püüdke kasutada PFA-soojendeid, mis on alla nende nimirõhu (tavaliselt 5–10 baari) ja oodake scCO₂ jõudlust. Materjal ei ole selle jaoks mõeldud, liitmikud ei ole selle jaoks ette nähtud ja rikke tagajärjed (protsessi katkemine, anuma saastumine, ohutusrisk) ei ole proovimist väärt. PFA on atmosfääri- või{15}}madalrõhu keemilise vastupidavuse jaoks. scCO₂ on kõrgsurve{17}töötlusseade. Sobitage materjal rõhuga. PFA ja scCO₂ ei segune. Kasutage metalli, kasutage välist soojust, kuid ärge kasutage PFA-d. Laev võidab. Kütteseade kaotab. Vali targalt.
