Bolehkah Pemanas PFA Digunakan dalam Kapal Pengekstrakan CO₂ Superkritikal Tanpa Kegagalan Pramatang?

Bekas pengekstrakan CO₂ (scCO₂) superkritikal dijalankan pada tekanan antara 100 dan 500 bar dan suhu antara 40 dan 100 darjah . Perkhidmatan ini tidak berfungsi untuk PFA. Mod kegagalan utama bukanlah serangan kimia, scCO2 biasanya tidak berbahaya kepada fluoropolimer, tetapi tekanan-yang disebabkan oleh keruntuhan dan rayapan. PFA lemah dalam kekuatan mekanikal. Pada 100 bar (10 MPa) tegasan gelung pada tiub PFA dinding 25 mm OD, 2 mm ialah σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. Kekuatan tegangan PFA ialah 25-30 MPa pada 40 darjah . Tekanan adalah dua kali ganda daripada kekuatan. tegasan=31 MPa-di atas hasil walaupun pada 50 bar. Pemanas PFA tidak dapat menahan tekanan yang diperlukan untuk pengekstrakan scCO₂. Kapal 20 bar PFA mungkin sesuai, tetapi pengekstrakan scCO2 diperlukan > 80 bar untuk mencapai kuasa pelarut. Bekas ScCO₂ juga boleh dipanaskan oleh jaket luar, pemanas logam dalaman (keluli tahan karat, Inconel) atau pemanas kartrij dalam termowell. PFA tidak dinasihatkan.

Penilaian Tekanan PFA untuk Perkhidmatan CO₂
Tiub PFA mempunyai tekanan kerja maksimum yang dibenarkan (MAWP) sebanyak: P_maks=2 x σ_maks xt / D Untuk maks=12 MPa (tegasan reka bentuk dengan faktor keselamatan pada 40 darjah ) t=2 mm D=25 mm P maks=2 12 2 / 25=48 / 25=1.92 bar (19.}} MPa (19. Ini adalah mutlak maksimum untuk penggunaan masa yang singkat. Untuk perkhidmatan berterusan berkurangan sebanyak 50% P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9.5 bar) pengekstrakan scCO2 pada 80-500 bar (8-50 MPa) adalah 8 hingga 50 kali lebih baik daripada PFA.

Secara teorinya tiub PFA boleh mengendalikan daya, tetapi pengedap hujung (di mana pemanas menembusi kapal) akan bocor. Bebibir PFA dan kelengkapan mampatan dinilai sehingga maksimum 5–10 bar. Tiada kelengkapan PFA tersedia pada masa ini yang dinilai untuk tugas CO₂ 100 bar.

Mod Kegagalan dalam 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 jam
Marginal (rayapan) 1,000–5,000 jam 12.5 20 25
30 18.8 25 Pecah rayapan 100-500 j
50 31.3 25 Jam hasil serta-merta 80 50 25 Minit Meletus 100 62.5 25 Kegagalan serta-merta Saat
Pada 80 bar tiub PFA akan kembung dan pecah. Kegagalan adalah dramatik dan tiba-tiba: sarung PFA pecah dan scCO₂ bocor melalui teras pemanas (jika berongga) atau teras terdedah. Kapal itu dimeteraikan. Jika pemanas meletup ia menghasilkan lubang untuk gas keluar, tetapi bekas itu masih utuh. Bagaimanapun proses pengekstrakan musnah dan pemanas perlu diganti.

peresapan scCO2 dan bengkak
Pada tekanan melebihi 80 bar scCO2 meresap melalui PFA pada kadar yang besar. Disebabkan oleh pemplastikan, pekali kebolehtelapan CO₂ dalam PFA pada 40 darjah dan 100 bar adalah sekitar 10–50× lebih tinggi daripada pada 10 bar. Molekul CO2 meresap ke dalam kawasan amorfus polimer mengembangkannya kepada 2-5%. Bengkak juga menjejaskan kekuatan mekanikal (20–30% kurang). PFA yang bengkak melembut dan menjalar dipercepatkan. Walaupun boleh membina pemanas PFA untuk menahan 100 bar, penembusan akan menekan anulus dalaman dengan CO 2. Apabila ditekan, CO2 yang terkandung akan mengembang, menghanguskan atau menyahlamina PFA (lihat Artikel #93). Kitaran tekanan/penyahtekanan ini (biasa pengekstrakan kelompok) amat berbahaya.

Teknik pemanasan alternatif untuk scCO₂
Pemanas PFA bukanlah pilihan yang sesuai untuk pengekstrakan scCO2. Pendekatan ini termasuk:

Kaedah Pemanasan Standard Pressure Rating Kelebihan Kelemahan
Kapal luar berjaket Penilaian kapal penuh (300 bar)Tiada penembusan, kehangatan homogen Jawapan perlahan. Mahal.
Pemanas logam dalaman (Inconel 625) Kadar muatan kapal penuhKompak, tindak balas pantasReaksi boleh dimangkin oleh logam.
Pemanas kartrij Thermowell (logam)Kadaran kapal penuh Boleh diganti tanpa membuka bekas Kecekapan pemindahan haba yang lebih rendah
Pemanas jalur (kapal di luar)Kadaran kapal penuh Mudah, tiada perubahan kapal diperlukanUntuk kraf kecil sahaja
Gelung peredaran semula dengan penukar haba luaranPenilaian kapal penuhKawalan Baik; ScalableMemerlukan pam; rumit.
Untuk vesel yang memerlukan pemanasan rendaman dalaman (untuk mengelakkan zon mati, contohnya) gunakan pemanas logam (Inconel 625 atau Hastelloy C-276) yang dinilai untuk keseluruhan tekanan kapal. Aloi ini tahan terhadap scCO₂ dan sebarang pelarut bersama (etanol, metanol) yang digunakan dalam pengekstrakan. Elemen pemanas biasanya merupakan kabel terlindung mineral (MgO) dalam jaket logam. Beban tekanan dibawa oleh sarung logam, bukan penebat.

Kesimpulan: Pemanas PFA Perlu Dielakkan dalam Pengekstrakan scCO2
Pemanas PFA tidak boleh digunakan untuk pengekstrakan CO₂ superkritikal (80-500 bar). Belon, pecah, pecah atau rayapan pantas berlaku kerana tegasan gelung adalah 2-50x lebih besar daripada kekuatan tegangan PFA. Walaupun pada tekanan serendah 20–30 bar, PFA adalah biasa-biasa sahaja dan akan gagal dalam masa beratus-ratus jam dengan creep. Pemanas logam (Inconel, Hastelloy) atau pemanasan jaket luaran mesti dinyatakan untuk setiap vesel scCO2 yang beroperasi melebihi 10 bar. Pemanas PFA tidak diluluskan untuk prestasi ScCO2 di bawah tekanan terkadarnya (biasanya 5-10 bar). Bahan tidak dimaksudkan untuknya, kelengkapan tidak dinilai untuknya dan risiko kegagalan (gangguan proses, pencemaran kapal, risiko keselamatan) tidak patut dicuba. PFA adalah untuk digunakan dalam perkhidmatan kimia atmosfera atau tekanan rendah. scCO₂ ialah loji proses tekanan tinggi. Padankan barangan dengan tekanan. PFA dan scCO₂ tidak bercampur. Tiada PFA, haba luar, logam Bot akan menang. Pemanas akan hilang. Memang patut.