Voidaanko PFA-lämmitintä käyttää ylikriittisessä CO₂-poistoastiassa ilman ennenaikaista vikaa?

Ylikriittisiä CO2- (scCO2) -uuttoastioita käytetään 100 - 500 baarin paineissa ja 40 - 100 asteen lämpötiloissa. Tämä palvelu ei toimi PFA:lle. Vallitseva vikatila ei ole kemiallinen hyökkäys, scCO2 on yleensä hyvänlaatuinen fluoripolymeereille, mutta paineen -indusoitu romahdus ja viruminen. PFA:lla on heikko mekaaninen lujuus. 100 baarin (10 MPa) paineella 25 mm:n ulkohalkaisijan, 2 mm:n seinämän PFA-putken kehäjännitys on σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. PFA:n vetolujuus on 25-30 MPa 40 asteen kulmassa. Stressi on kaksi kertaa niin suuri kuin voima. jännitys=31 MPa-yli tuotto jopa 50 barissa. PFA-lämmittimet eivät kestä scCO₂-uuttoon vaadittavia paineita. Astiat 20 baarin PFA voi olla sopiva, mutta scCO2-uutto vaaditaan > 80 bar solvatointitehon saavuttamiseksi. ScCO₂-astioita voidaan lämmittää myös ulkovaipoilla, sisäisillä metallilämmittimillä (ruostumaton teräs, Inconel) tai suojakoteloissa olevilla patruunalämmittimillä. PFA:ta ei suositella.

PFA-paineluokitukset CO₂-palvelulle
PFA-putken suurin sallittu käyttöpaine (MAWP) on: P_max=2 x σ_max xt / D Max=12 MPa (suunnittelujännitys turvallisuuskertoimella 40 asteessa) t=2 mm D=25 mm P max=2 12 2 / 25=48 / {{9}.2 bar). Tämä on absoluuttinen maksimiarvo lyhytaikaiseen käyttöön. Jatkuvassa käytössä vähennetään 50 % P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9,5 bar) scCO2-uutto 80-500 barin (8-50 MPa) paineella on 8-50 kertaa parempi kuin PFA.

Teoreettisesti PFA-putki kestäisi voiman, mutta päätytiivisteet (jossa lämmitin tunkeutuu astiaan) vuotaisivat. PFA-laipat ja puristusliittimet ovat maksimissaan 5–10 baaria. Tällä hetkellä ei ole saatavilla PFA-liittimiä, jotka olisivat mitoitettu 100 barin CO₂-käyttöön.

Vikatilat scCO₂:ssa
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 tuntia
Marginaali (ryömintä) 1 000–5 000 tuntia 12.5 20 25
30 18.8 25 Viruminen 100-500 h
50 31.3 25 Välitön tuotto tunnit 80 50 25 Purskeminuutit 100 62.5 25 Välitön vika sekuntia
80 barin paineessa PFA-putki turpoaa ja halkeaa. Vika on dramaattinen ja äkillinen: PFA-suojus repeää ja scCO₂ vuotaa lämmittimen sydämen läpi (jos ontto) tai ydin paljastuu. Alus on sinetöity. Jos lämmitin räjähtää, se muodostaa reiän kaasun poistumista varten, mutta astia on edelleen ehjä. Poistoprosessi kuitenkin tuhoutuu ja lämmitin on vaihdettava.

scCO2-läpäisy ja turvotus
Yli 80 baarin paineissa scCO2 diffundoituu PFA:n läpi huomattavia nopeuksia. Pehmityksestä johtuen PFA:n CO₂-läpäisevyyskerroin 40 asteen ja 100 baarin paineissa on noin 10–50 × suurempi kuin 10 baarissa. CO2-molekyylit diffundoituvat polymeerin amorfisille alueille laajentaen sitä 2-5 %:iin. Turvotus vaikuttaa myös mekaaniseen lujuuteen (20–30 % vähemmän). Turvonnut PFA pehmenee ja viruminen kiihtyy. Vaikka olisi mahdollista rakentaa PFA-lämmitin kestämään 100 baaria, tunkeutuminen paineistaisi sisäiseen renkaaseen CO 2:lla. Paineen alentuessa sisällä oleva CO2 laajenee, polttaa tai delaminoi PFA:ta (katso artikla #93). Tämä paineistus/paineenalennusjakso (tyypillinen eräuuttoon) on erittäin haitallinen.

Vaihtoehtoiset lämmitystekniikat scCO₂:lle
PFA-lämmittimet eivät ole käyttökelpoinen valinta scCO2-uuttoon. Näitä lähestymistapoja ovat:

Lämmitysmenetelmä Vakiopaineluokitus Edut Haitat
Vaipallinen ulkoastia Täysi astia (300 bar) Ei läpäisyä, tasaista lämpöä Hidas vastaus. Kallis.
Sisäinen metallilämmitin (Inconel 625) Täysi laivarahtimaksu Kompakti, nopeasti reagoiva Reaktiot voidaan katalysoida metallilla.
Thermowell (metalli) patruunalämmitin Täysi astian luokitus Vaihdettava avaamatta astiaa Pienempi lämmönsiirtoteho
Nauhalämmittimet (aluksen ulkopuolella) Täysi aluksen luokitus Yksinkertainen, astian vaihtoa ei tarvita Vain pienille veneille
Kierrätyssilmukka ulkoisella lämmönvaihtimella Täysi laivaluokitus Hyvä ohjaus; SkaalautuvaTarvitsee pumpun; monimutkainen.
Astioissa, jotka vaativat sisäistä uppolämmitystä (esim. kuolleiden vyöhykkeiden estämiseksi), käytä metallilämmitintä (Inconel 625 tai Hastelloy C-276), joka on mitoitettu koko astian paineelle. Nämä seokset kestävät scCO₂:ta ja kaikkia uuttamisessa käytettyjä apuliuottimia (etanoli, metanoli). Lämmityselementti on yleensä mineraalieristetty (MgO) kaapeli metallivaipassa. Painekuormituksen kantaa metallivaippa, ei eristys.

Johtopäätös: PFA-lämmittimiä tulisi välttää scCO2-uutossa
PFA-lämmittimiä ei voida käyttää ylikriittiseen CO₂-uuttoon (80-500 bar). Ilmapalloa, repeämistä, halkeamista tai nopeaa virumista tapahtuu, koska vanteen jännitys on 2-50 kertaa suurempi kuin PFA:n vetolujuus. Jopa 20–30 baarin paineissa PFA on keskinkertaista ja hajoaa satojen tuntien kuluessa virumisen takia. Metallilämmittimet (Inconel, Hastelloy) tai ulkovaippalämmitys on määritettävä jokaiselle scCO2-astialle, joka toimii yli 10 baarin paineella. PFA-lämmittimiä ei ole hyväksytty nimellispaineen (yleensä 5-10 bar) ScCO2-suorituskyvylle. Materiaalia ei ole tarkoitettu sille, liittimet eivät ole sille mitoitettuja ja epäonnistumisriskit (prosessihäiriöt, astian saastuminen, turvallisuusriski) eivät ole kokeilemisen arvoisia. PFA on tarkoitettu käytettäväksi ilmakehän tai matalapaineisen kemian palveluissa. scCO₂ on korkeapaineprosessilaitos. Yhdistä tavarat paineen mukaan. PFA ja scCO₂ ovat sekoittumattomia. Ei PFA:ta, ulkoinen lämpö, ​​metalli Vene voittaa. Lämmitin häviää. Ansaitse se.