Kan en PFA-varmer brukes i et superkritisk CO₂-ekstraksjonsbeholder uten for tidlig svikt?

Superkritiske CO₂ (scCO₂) ekstraksjonsbeholdere kjøres ved trykk mellom 100 og 500 bar og temperaturer mellom 40 og 100 grader. Denne tjenesten fungerer ikke for PFA. Den dominerende feilmodusen er ikke kjemisk angrep, scCO2 er generelt godartet for fluorpolymerer, men trykk-indusert kollaps og kryp. PFA har svak mekanisk styrke. Ved 100 bar (10 MPa) er bøylespenningen på et 25 mm OD, 2 mm vegg PFA-rør σ=P × D / (2 × t)=10 × 25 / 4=62.5 MPa. Strekkstyrken til PFA er 25-30 MPa ved 40 grader. Stresset er to ganger så stort som styrken. stress=31 MPa-over yield selv ved 50 bar. PFA-varmere er ikke i stand til å motstå trykket som kreves for scCO₂-ekstraksjon. Kar 20 bar PFA kan være egnet, men scCO2-ekstraksjon kreves > 80 bar for å oppnå løsningsevne. ScCO₂-beholdere kan også varmes opp av utvendige kapper, interne metallvarmere (rustfritt stål, Inconel) eller patronvarmere i termobrønner. PFA anbefales ikke.

PFA-trykkvurderinger for CO₂-tjeneste
PFA-røret har et maksimalt tillatt arbeidstrykk (MAWP) på: P_max=2 x σ_max xt / D For maks=12 MPa (designspenning med sikkerhetsfaktor på 40 grader ) t=2 mm D=25 mm P maks=2 12 2 / 25=48 MPa / 25=1.92}. Dette er det maksimale absolutte for korttidsbruk. For kontinuerlig servicereduksjon med 50 % P_max_continuous=0.5 x 1.9=0.95 MPa (9,5 bar) er scCO2-ekstraksjon ved 80-500 bar (8-50 MPa) 8 til 50 ganger bedre enn PFA.

Teoretisk sett kunne PFA-røret håndtere kraften, men endeforseglingene (der varmeren penetrerer karet) ville lekke. PFA-flenser og kompresjonsfittings er klassifisert opp til maksimalt 5–10 bar. Ingen PFA-fittings er tilgjengelig for øyeblikket som er klassifisert for 100 bar CO₂-belastning.

Feilmoduser i 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 timer
Marginal (kryp) 1000–5000 timer 12.5 20 25
30 18.8 25 Krypbrudd 100–500 timer
50 31.3 25 Umiddelbar avkastning Timer 80 50 25 Burst minutter 100 62.5 25 Øyeblikkelig feil sekunder
Ved 80 bar vil PFA-røret blåse opp og sprekke. Feilen er dramatisk og plutselig: PFA-kappen brister og scCO₂ lekker gjennom varmekjernen (hvis den er hul) eller kjernen er blottlagt. Fartøyet er forseglet. Hvis varmeren eksploderer, produserer det et hull for gassen å unnslippe, men fartøyet er fortsatt intakt. Imidlertid er utvinningsprosessen ødelagt og varmeren må skiftes ut.

scCO2 permeasjon og hevelse
Ved trykk over 80 bar diffunderer scCO2 gjennom PFA med betydelige hastigheter. På grunn av plastisering er CO₂-permeabilitetskoeffisienten i PFA ved 40 grader og 100 bar rundt 10–50× høyere enn ved 10 bar. CO2-molekyler diffunderer inn i de amorfe områdene av polymeren og utvider den til 2-5%. Hevelse påvirker også mekanisk styrke (20–30 % mindre). Den hovne PFA mykner og kryper akselererer. Selv om det var mulig å konstruere en PFA-varmer for å motstå 100 bar, ville penetrasjonen sette den indre ringrommet under trykk med CO 2. Når den inneholdte CO2 ble trykkavlastet, ville den ekspandere, brenne eller delaminere PFA (se artikkel #93). Denne syklusen med trykksetting/depressurisering (typisk for batchekstraksjoner) er ekstremt skadelig.

Alternative oppvarmingsteknikker for scCO₂
PFA-varmere er ikke et mulig valg for scCO2-ekstraksjon. Disse tilnærmingene inkluderer:

Oppvarmingsmetode Standard Trykkklassifisering Fordeler Ulemper
Utvendig kar med kappeFull karvurdering (300 bar) Ingen penetrering, homogen varmeLangsom svar. Dyr.
Innvendig metallvarmer (Inconel 625) Full fraktpris Kompakt, raskt reagerende Reaksjoner kan katalyseres av metall.
Termobrønn (metall) patronvarmerFull karvurdering Kan byttes ut uten å åpne kar Lavere varmeoverføringseffektivitet
Båndvarmere (fartøy utenfor) Full fartøyvurdering Enkel, ingen fartøyskifte nødvendig Kun for små fartøyer
Resirkuleringssløyfe med ekstern varmevekslerFull ship ratingGood Control; Skalerbar Trenger en pumpe; komplisert.
For kar som krever innvendig nedsenkingsoppvarming (for å forhindre døde soner, for eksempel) bruk en metallvarmer (Inconel 625 eller Hastelloy C-276) klassifisert for hele kartrykket. Disse legeringene er motstandsdyktige mot scCO₂ og eventuelle hjelpeløsningsmidler (etanol, metanol) som brukes i ekstraksjoner. Varmeelementet er vanligvis en mineralisolert (MgO) kabel i en metallkappe. Trykkbelastningen bæres av metallkappen, ikke isolasjonen.

Konklusjon: PFA-varmere bør unngås i scCO2-ekstraksjon
PFA-varmere kan ikke brukes til superkritisk CO₂-ekstraksjon (80-500 bar). Ballongdannelse, brudd, sprengning eller rask krypning oppstår fordi bøylespenningen er 2-50 ganger større enn strekkstyrken til PFA. Selv ved trykk så lavt som 20–30 bar, er PFA middelmådig og vil svikte innen hundrevis av timer ved krypning. Metallvarmere (Inconel, Hastelloy) eller ekstern kappevarme må spesifiseres for hvert scCO2-beholder som opererer over 10 bar. PFA-varmere er ikke godkjent for ScCO2-ytelse under det nominelle trykket (vanligvis 5-10 bar). Materialet er ikke beregnet for det, beslagene er ikke vurdert for det, og risikoen for feil (prosessavbrudd, fartøysforurensning, sikkerhetsrisiko) er ikke verdt å prøve. PFA er for bruk i atmosfærisk eller lavtrykkskjemisk tjeneste. scCO₂ er et høytrykksprosessanlegg. Match tingene til trykket. PFA og scCO₂ er ikke blandbare. Ingen PFA, ekstern varme, metall Båten vil vinne. Varmeren kommer til å miste. Fortjener det.